Что такое устройство следующего уровня?

Сигнализаторы – это контрольно-измерительный прибор, работающий дискретно и предназначенный для определения требуемого параметра

• Контроль верхнего предельного уровня в резервуаре
• Контроль нижнего предельного уровня в резервуаре
• Сигнализация нескольких уровней жидкости в емкости
• Защита насосов от сухого хода (определение наличия/отсутствия жидкости на входе насоса)
• Наличие твердого осадка на дне емкости
• Сигнализация уровня раздела фаз или контроль изменения типа (плотности) жидкости в точке контроля.

В настоящий момент в России и мире выпускается огромное кол-во типов датчиков, которые работают как сигнализатор уровня жидкости, однако основной выбор представлен следующими технологиями измерения:

Работают по принципу измерения частоты или амплитуды резонансных колебаний вилочного или стержневого сенсора, при погружении сигнализатора из менее плотной среды (воздух/газ) в более плотную (жидкость, сыпучий продукт) частоты колебаний падает, что определяется электроникой прибора и вызывает срабатывание.

Работают по двум основным принципам:

• измерение времени прохождения ультразвукового сигнала через специальный зазор в чувствительном элементе, в жидкости скорость звука значительно выше чем в воздухе, соответственно при погружении в жидкость сигнал достигает «цели» раньше, и определяется электронным блоком и дает соответствующий сигнал;
• определение затухания ультразвуковой волны в чувствительном элементе – при погружении в жидкость амплитуда ультразвуковой волны, распространяющейся в чувствительном элементе специальной конструкции, падает, что вызывает соответствующую реакцию прибора;

Работают по принципу определения электрической емкости (подобно принципу конденсатора), образующейся между чувствительным элементом и стенкой резервуара. При отсутствии жидкости емкость практически нулевая, при появлении жидкости ее значение серьезно возрастает.

Функционируют только с электропроводными жидкостями и работают по принципу измерения электрического сопротивления между чувствительным элементом (электродом) и стенкой емкости, при отсутствии жидкость сопротивление стремится к бесконечности, а в момент контакта ЧЭ с электропроводной жидкостью значение сопротивления падает многократно, что вызывает срабатывание прибора.

Работают по принципу контроля за разницей температур двух частей сенсора (двух штырей или пластин), один из сенсоров постоянно подогревается, обеспечивая заданную разницу температур между сенсорами в осушенном состоянии; при погружении в жидкость разница температур падает за счет охлаждения нагреваемого «штыря» при той же потребляемой мощности нагревателя), соответственно уменьшающаяся разница в температурах между сенсорами и является определяющим критерием для срабатывания.

Функционируют по простому магнитному принципу – в опускной «штанге» располагаются на требуемом уровне магнитные герконы, в зоне расположения геркона снаружи на штангу надет поплавок, оснащенный магнитом и ограничителями хода, при увеличении уровня жидкости поплавок поднимается и оказывает магнитное воздействие на геркон, вызывая его замыкание и срабатывание датчика.

Современная система атоматического управления технологическим процессом представляет собой сложный комплекс оборудования и программного обеспечения. Как правило, различают два уровня АСУ ТП: верхний и нижний.

Нижний уровень состоит из системы контроллеров, которые собирают информацию о всех технологических процессах, которые происходят на производстве, и передают на верхний уровень.

Верхний уровень АСУ ТП реализован на рабочих станциях и серверах. По сути, верхний уровень АСУ ТП представлен специализированным программным обеспечением, которое обеспечивает обратную связь между диспетчером или оператором и элементами нижнего уровня АСУ ТП.

Иногда в рамках нижнего уровня АСУ ТП различают непосредственно нижний уровень (реализованный на микроконтроллерах) и средний (реализованный на контроллерах). Тем не менее, чаще всего такого различия не делают.

Верхний уровень автоматической системы управления обеспечивает широкие возможности визуализации и взаимодействия системы АСУ ТП с человеком (диспетчером или оператором).

В первую очередь программное обеспечение и оборудование верхнего уровня реализует информационные функции (сбор, обработку, хранение и выдачу информации по требованию оператора). При этом в систему поступает не только информация о параметрах технологических процессов, и моментах срабатывания автоматики безопасности, но также информация о внешнем вмешательстве персонала в работу установки.

Кроме этого, с помощью программного обеспечения верхнего уровня осуществляется дистанционное управление оборудованием БСУ и настройка параметров системы управления.

Субстратом визуализации технологических процессов, которые происходят на предприятии, является система компьютеров и специализированных мониторов. На мониторах отображаются изменения параметров и этапы срабатывания оборудования.

Количество параметров, которые выводятся на мониторы, частота изменения данных на мониторах и другие параметры программируются индивидуально, в зависимости от потребностей конкретного производства.

IEC 61131-3 — раздел (англ. Tier) международного стандарта IEC 61131 (также существует соответствующий европейский стандарт EN 61131), описывающий языки программирования для программируемых логических контроллеров. Графический язык.

Благодаря предустановленной среде исполнения CoDeSys V3 у пользователей ПЛК3хх имеются дополнительные возможности удаленного мониторинга системы посредством Интернета. В качестве программного обеспечения для организации верхнего уровня ОВЕН предлагает использовать SCADA-системы: MasterSCADA, АИИС ЭНТЕК, ISaGRAF. Системы позволяют объединять разнородную информацию, поступающую с разных объектов, представлять ее в графическом виде, вести оперативный мониторинг текущих параметров и формировать отчетную документацию, вести архив событий. При этом системы оснащены интуитивно понятным интерфейсом и достаточно просты в освоении, имеют обширные библиотеки готовых элементов для упрощения процесса конструирования. В том случае, когда на объекте установлена любая другая система, для передачи информации можно использовать стандартный ОРС-сервер среды программирования CoDeSys.

MasterSCADA — программный пакет для проектирования систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA). Основными свойствами является модульность, масштабируемость и объектный подход к разработке. Система предназначена для сбора, архивирования, отображения данных, а также для управления различными технологическими процессами. Помимо создания т. н. верхнего уровня, система позволяет программировать контроллеры с открытой архитектурой. Таким образомMasterSCADA позволяет создавать единый комплексный проект автоматизации (SCADA система + ПЛК). Вся система, включая все компьютеры и все контроллеры, конфигурируется в едином проекте, за счет этого не требуется конфигурировать внутренние связи в системе.

Рисунок 1 – Примеры условных обозначений

При изображении условного обозначения комплекта средств автоматизации, состоящего из нескольких единичных обозначений, связанных с друг другом, необходимо помнить, что во всех единичных обозначениях устройств, входящих в комплект, первая буква обозначения указывает измеряемый параметр (температуру, давление, уровень и т.п.). Исключение составляют устройства ручного управления, входящие в комплект. В их обозначении шифр измеряемого параметра не вводят.

Например, в комплекте для измерения и регулирования температуры первичный измерительный преобразователь будет обозначен буквами ТЕ (чувствительный элемент измерения температуры); вторичный регистрирующий прибор TR (самопишущий прибор измерения температуры); регулирующий блок – ТС (регулятор температуры) и т.п.

В условных обозначениях всех устройств, выполненных в виде отдельных блоков, рассчитанных на ручное управление, всегда первой записывают букву Н (ручное воздействие), например в обозначении переключателей электрических цепей измерения, управления; переключателей газовых или воздушных линий; байпасных панелей дистанционного управления; кнопок, ключей управления, задатчиков и т.п.

Следует помнить еще одну особенность построения условных буквенных обозначений. В комплекте, предназначенном для измерений нескольких разнородных величин, первичные измерительные преобразователи (датчики) обозначают буквой, обозначающей измеряемый данным датчиком параметр.

Иначе производится обозначение на схеме постоянно подключенного отборного устройства, для которого специального графического обозначения нет. Местом установки отборного устройства является точка пересечения линии связи с обозначением технологического трубопровода или аппарата. Второй конец линии связи в этом случае сопрягается с обозначением первичного измерительного преобразователя или прибора.

На рисунке 2,а показано обозначение установки преобразователя термоэлектрического (термопары) на технологическом трубопроводе, а на рисунке 2,б – показывающего манометра. Первичный измерительный преобразователь измерения расхода (например, диафрагма) устанавливается, как известно, в рассечку технологического трубопровода, что показывается в условном обозначении (рисунок 2,в).

Рисунок 2 – Первичные измерительные преобразователи

Существует прием, с помощью которого можно указать точное место расположения отборного устройства или точки измерения. Для этого линию связи от первичного измерительного преобразователя или прибора вводят внутрь контура технологического аппарата, а на ее конце изображают окружность диаметром 2 мм, как показано на рисунке 2,г. Подвод линии связи к условному обозначению прибора или средства автоматизации изображают в любой точке окружности (сверху, снизу, сбоку). Когда важно знать направление потока среды или передачи сигнала, на изображении линии связи наносят стрелку.

Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов изображают на схемах в виде прямоугольников, размеры которых определяются местом, необходимым для изображения в них условных графических обозначений приборов и средств автоматизации, устанавливаемых на них.

Комплектные устройства, например программируемые микропроцессорные контроллеры, обозначают так же как и щиты, прямоугольниками произвольных размеров. Внутри прямоугольника указывают тип комплектного устройства в соответствии с документации завода-изготовителя.

Рассмотрим примеры условных обозначений наиболее часто встречающихся приборов и средств автоматизации, устанавливаемых по месту и на щитах.

На рисунке 3 приведены условные обозначения приборов для измерения и регулирования температуры. О том, что на рисунке 2,а изображен первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры, установленный по месту, например термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления (термометр сопротивления), термобаллон манометрического термометра и т.п., указывает, во-первых, окружность без горизонтальной линии внутри: первичный измерительный преобразователь или прибор, установленный по месту согласно таблице 1; во-вторых, первая буква Т, обозначающая, что измеряемый параметр – температура, и вторая буква Е, обозначающая, что это чувствительный элемент. Таким образом, это условное обозначение передает необходимый объем информации в общем виде.

Рисунок 3 – Приборы для измерения и регулирования температуры

Буква I в обозначении прибора для измерения температуры (рисунок 3,б) говорит о том, что изображен показывающий прибор. Обозначения приборов, приведенных на рисунке 3,в, расшифровываются так: оба прибора установлены на щите (горизонтальная черта внутри окружности), оба регистрируют R температуру T, а второй прибор еще и регулирует C.

Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту, изображен на рисунке 3,г слева. Вторая буква С обозначает, что это регулятор.

Правое обозначение свидетельствует, что это измерительный комплект температуры Т, регистрирующий R, регулирующий C, со станцией управления K. Температурное реле изображено на рисунке 2,д: T – температура; S – контактное устройство (включение, отключение, переключение).

На рисунке 4,а даны приборы для измерения давления (Р), установленные по месту (соответственно): показывающий (I) – манометр, дифманометр, тягомер, напоромер, вакуумметр и др.; показывающий перепад (D) – дифманометр; бесшкальный (отсутствие буквы I), с дистанционной передачей (T) – манометр, дифманометр с электро- или пневмопередачей.

Рисунок 4 – Приборы для измерения давления

Из рисунка 4,б видно, что для обозначения прибора, регистрирующего давление, в верхнюю часть круга вписаны буквы P и R. Примером этого вида приборов может быть любой вторичный прибор, регистрирующий давление.

На рисунке 4,в даны обозначения электроконтактного манометра (вакуумметра) и регулятора: P – давление, I – показание, S – контактное усройство, C – регулирование.

Окружность без горизонтальной черты (рисунок 5,а) указывает на то, что это первичный измерительный преобразователь или прибор, установленный по месту. Буквы F и E обозначают соответственно расход и чувствительный элемент, буква Е – что это не прибор, а измерительный преобразователь. Следовательно, это обозначение может принадлежать диафрагме, соплу, трубе Вентури, датчику индукционного расходомера и т.п.

Рисунок 5 – Приборы для измерения расхода

Из обозначения на рисунке 5,б видно, что это установленные по месту приборы измерения расхода (F), показывающие (I), а второй прибор еще и интегрирующий (Q).

На рисунке 5,в показано обозначение прибора для измерения соотношения (вторая буква F) расходов (первая буква F), регистрирующего (R), установленного на пульте (горизонтальная линия в окружности). Это может быть, например, вторичный самопишущий прибор соотношения расходов.

На рисунке 6,а приведено обозначение первичного измерительного преобразователя (чувствительного элемента) (E) для измерения уровня (L), установленного по месту. Им может быть, к примеру, датчик электрический емкостный или ультракоротковолновый уровнемер.

Рисунок 6 – Приборы для измерения уровня

Когда в дополнение к основному буквенному обозначению, вписанному в окружность, необходима информация, например, о предельных значениях параметра, конкретной измеряемой величине и т.п.то, такую информацию записывают рядом с окружностью – символом прибора – справа от нее.

На рисунке 6,б показаны обозначения приборов для измерения уровня с контактным устройством, включенным либо в схему сигнализации (SA) – реле уровня, либо в схему регулятора – сигнализатора уровня с контактным устройством (CS), установленных по месту. Буква Н вне обозначения, справа вверху, показывает, что приборы должны быть отрегулированы на срабатывание по верхнему уровню.

Сравним обозначения на рисунках 6,б и в. Если на рисунке 6,б дано обозначение прибора, установленного по месту, например, реле уровня, то на рисунке 6,в – обозначение вторичного прибора, показывающего и сигнализирующего предельные (H, L) значения уровня, поэтому сочетание букв I и A на рисунке 6,в означает показание и сигнализацию, а S и A на рисунке 6,б – контактное устройство, работающее в схеме сигнализации.

На рисунке 7 приведены обозначения большой группы приборов технологического контроля и управления. Первая буква D (плотность) в сочетании со второй буквой Т (дистанционная передача) обозначает, что это датчик плотномера с электро- и пневмопредачей (буква Е или Р), т.е. прибор для измерения плотности раствора бесшкальный (отсутствие буквы I) с дистанционной передачей, установленный по месту (рисунок 6,а).

Рисунок 7 – Приборы для измерения различных параметров

Обозначение прибора, измеряющего размеры (G), показывающего, например, прибора, измеряющего толщину медной ленты, установленного по месту, изображено на рисунке 7,б.

Существует большая группа приборов для измерения различных электрических величин (буква Е), например вольтметры, ваттметры, частотомеры и др. Обозначение любого из таких приборов приведено на рисунке 7,в слева. Справа это же обозначение дано с поясняющей надписью «напряжение», показывающей, какую из электрических величин измеряет прибор.

Из таблицы 2 видно, что буква Q – величина, характеризующая качество: состав, концентрацию и т.п. Значит, на рисунке 6,г изображены приборы измерения качества продукта. Буква Е в первом обозначении показывает, что это чувствительный элемент, а буквы R и C во втором – что прибор регистрирующий и регулирующий. Знаки вне изображения конкретизируют, что именно измеряет этот прибор. Таким образом, в первом случае это может быть датчик рН- метра, а во – втором – вторичный самопишущий прибор регулятора концентрации серной кислоты в растворе.

На рисунке 7,д приведено обозначение прибора для показания (I) и сигнализации (A) радиоактивности (R), в частности, предельно допустимых (верхний предел) значений

Обозначение вторичного прибора тахогенератора – прибора для измерения и регистрации (R) скорости (первая буква S) привода, установленного на щите, показано на рисунке 7,е. Следует обратить внимание на то, какое важное значение имеет не только сама буква, но и ее место в обозначении. Во всех предыдущих случаях буква S, занимая второе или третье место, показывает наличие у прибора контактного устройства. В рассматриваемом случае, занимая первое место, буква S обозначает скорость.

Обозначение любого преобразователя (вторая буква Y) сигнала приведено на рисунке 7,ж, где показан преобразователь термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя (первая буква Т).

Чтобы знать вид входного и выходного сигналов, рядом с обозначением записывают соответствующие буквы, например Е/Е. Это значит, входной и выходной сигналы в данном случае электрические.

На рисунке 6,з показано обозначение преобразователя (вторая буква Y) пневматического сигнала в электрический (буквы Р/Е обозначения преобразователя) от датчика давления (первая буква Р).

Существует ряд средств автоматизации, которые, как правило, имеются почти во всех схемах автоматизации технологических процессов. Обозначения наиболее типичных из них показаны на рисунке 8. На рисунке 8,а показано обозначение коммутирующего устройства управления. Из его графического изображения следует, что это устройство на щите (горизонтальная линия окружности). Первая буква (Н) означает ручное воздействие, т.е. ручное управление устройством. Вторая буква (S) показывает, что устройство контактное, обеспечивающее включение, отключение, переключение. Другими словами, это ручное контактное устройство: ключ управления, кнопка, переключатель и т.п.

Рисунок 8 – Средства автоматизации

Второй вариант обозначения ручного щитового органа управления, например, байпасной панели дистанционного управления, показан на рисунке 8,б. Буква Н означает ручное, а С – управление. На рисунке 8,в дано обозначение пускового аппарата – магнитного пускателя, контактора и т.п. – для управления электроприводом (включение, выключение двигателя насоса; открытие, закрытие задвижки и т.п.).

На этом рисунке дан пример применения резервной буквы N, что должно быть оговорено на поле чертежа. Буква S означает контактное устройство.

На схемах автоматизации в верхней части чертежа располагают схему цепей и ап­паратов автоматизируемого технологического процесса. Технологическое оборудование принято изображать схематично, чтобы внешние очертания достаточно точно отображали его.

В нижней части схемы слева направо изображают прямоугольники с указанием пунктов размещения средств автоматизации. В общем случае прямоугольники имеют на­именования: «Приборы по месту», «Щит оператора – технолога», разделенный на прямо­угольники, в которых располагают аппаратуру управления и средства отображения ин­формации, под названием «Панель оператора» в прямоугольниках, размещают программируемые микропроцессорные контроллеры и управляющие вычислительные комплексы с устройствами ввода – вывода и устройства локальной сети для связи с дру­гими системами.

В прямоугольнике «Приборы по месту», как правило, размещают технические средства измерения и преобразования технологических переменных процесса, которые по условиям эксплуатации не встраиваются в технологическое оборудование, а устанавлива­ются вблизи его и связаны с измеряемыми параметрами с помощью импульсных линий. Здесь также рекомендуется изображать щиты газоанализаторов и коммутационную аппа­ратуру исполнительных механизмов и автоматизированного электропровода.

В соответствии с ГОСТ 21.404-85 для условных изображений модулей ввода – вывода микроконтроллеров и управляющих вычислительных комплексов приняты бук­венные обозначения:

• АЕ (AI)- модуль ввода аналоговых сигналов;
• АА (AO)- модуль вывода аналоговых сигналов;
• DE (DI)-модуль ввода дискретных сигналов;
• DA (DO)- модуль вывода дискретных сигналов.

В прямоугольниках «Приборы по месту», «Щит оператора-технолога» и др. ре­комендуется следующая последовательность расположения средств контроля и регулирования технологических переменных: температура давления-разрежения, уровень, расход, состав вещества, масса, плотность, влажность, вязкость.

К разработанной схеме автоматизации составляется спецификация приборов и средств автоматизации на том же листе над основной надписью или в виде приложения на листах формата А4. В графе «Наименование» необходимо приводить полное наименова­ние измерительного преобразователя, прибора и средства автоматизации, вид выходного сигнала, класс точности и другие данные, приводимые в каталогах, с указанием техниче­ских условий на выбранные технические средства. Рекомендуется та же последователь­ность заполнения спецификации, что и расположенная средства автоматизации на схеме.

Пример выполнения схемы автоматизации приведен в Приложении Б, на котором выполнена схема автоматизации технологического процесса вельцевания цинковых кеков. Для автоматизации процесса вельцевания используется программируемый микропроцессорный контроллер Simatic S5 фирмы Siemens. Кон­троллер позволяет принимать и преобразовывать поступающую от измерительных преобразователей контрольную информацию, вырабатывать управляющие воздействия и осуществлять взаимо­действия и обмен информацией с оператором технологического объекта управления через панель отображения информации. Использование микроконтроллеров и программно-технических комплексов исключает необходимость использования щитовых приборов контроля, регистрации и регулирования, а также больших щитовых помещений.

Описание схемы автоматизации (Пример)

Для контроля температуры в топке выбран термоэлектрический преобразователь ТХА поз.1а, сигнал с которого поступает на модуль ввода аналоговых сигналов АЕ кон­троллера. Для регулирования температуры расходом мазута сигнал с выхода модуля ана­логовых сигналов ДО поступает на блок управления БУ-21 поз.1 б и далее на реверсивный пускатель ПБР-2М поз.1в, на выход которого подключен электрический исполнительный механизм типа МЭО поз.1г регулирующего клапана с встроенным датчиком положения исполнительного механизма поз.1д, унифицированный сигнал 4-20 мА с которого посту­пает на модуль ввода АI. Изменение расхода мазута автоматически приводит к измене­нию расхода вторичного воздуха, которое осуществляется регулятором соотношения «ма­зут-воздух», реализованным программно в микроконтроллере. Управляющий сигнал с мо­дуля ДО подается на блок управления БУ-21 поз.2 б и далее на пускатель ПБР-2М поз.2в, выход которого поступает на исполнительный механизм типа МЭО регулирующего клапана подачи вторичного воздуха поз.2г. Унифицированный сигнал со встроенного датчика положения исполнительного механизма поз.2д поступает на модуль ввода АI.

Температура в зоне возгонки контролируется с помощью термоэлектрического преобразователя ТХА пoз.2a, сигнал с которой поступает на модуль ввода АI.

Температура в зоне подготовки шихты контролируется термоэлектрическим пре­образователем ТХА поз. 3а, сигнал с которого поступает на модуль ввода АI контроллера.

Регулирование температуры осуществляется подачей обогащенного кислородом воздуха следующим образом. Управляющее воздействие с модуля вывода дискретных сигналов ДO поступает на блок управления БУ-21 поз.Зб и далее на пускатель ПБР-2М поз.Зв, выход­ной сигнал которого управляет исполнительным механизмом типа МЭО регулирующего клапана поз.3г. Сигнал с встроенного датчика положения исполнительного механизма поз.Зд поступает на модуль ввода АI.

Расход кислорода корректируется по концентрации О2 и СО в отходящих газах на выходе из пылевой камеры. Для измерения содержания кислорода используется зондовый датчик типа ЭХД-2 поз.6а с преобразователем типа ПВ-1 поз.6б, а для СО – погружной датчик типа ЭХД-ПВ1 поз.7а с преобразователем типа ПВ-1 поз. 7б. Выходные сигналы с преобразователей поступают на модуль ввода АI.

Давление мазута, вторичного воздуха и кислорода контролируется измерительны­ми преобразователями типа Метран 43-ДИ поз.4а. (их 3 штуки). Выходные сигналы с преобразователей поступают на модуль ввода АI.

Для измерения расхода кислорода и вторичного воздуха принят комплект, состоящий из стандартных диафрагм типа ДКС поз.5а, 9а и измерительных преобразовате­лей перепада давления типа Метран-43ДД поз 5б, 9б. Выходные сигналы измерительных преобразователей поступают на модуль ввода АI.

Для измерения массового расхода мазута используется показывающий ультразвуковой счетчик – измеритель поз. 8а., выходной сигнал с которого 4мА-20мА поступает на вход модуля АI.

Температуру мазута измеряют с помощью термопреобразователя сопротивления типа ТСМ поз. 3-1 а, который подключен к модулю ввода АI.

Для управления электроприводом вентилятора-дымососа в автоматическом режиме используется сигнал с модуля вывода дискретных сигналов DO, который подается на универсальный переклю­чатель типа УП пз.10а. Сигнал с выхода переключателя поступает на нереверсивный пус­катель типа ПА поз. 10в и далее на электродвигатель. В ручном дистанционном режиме включение и выключение электродвигателя дымососа осуществляется кнопоч­ным постом типа ПКЕ поз. 10 б. Время работы дымососа фиксируется включенным со­стоянием пускателя ПА, поз. 10 в, сигнал с которого поступает на модуль ввода DI мик­роконтроллера.

Сигналы о положении переключателей поз. 1d, 2d, 3d и 10а в различных режимах поступают на модуль ввода АI микроконтроллера.

Спецификация на приборы и средства автоматизации, изображенные на схеме автоматизации (приложение Б) приведена в приложении В.

Задача уровнеметрии – измерения уровня – является широко распространенной, очень важной для управления различными технологическими процессами в самых разных отраслях промышленности.

К применяемым для измерения уровня приборам предъявляются, в основном, два требования: в одном случае тре­буется производить непрерывное измерение уровня, в другом – только сигнализировать о том, что достигнуто определённое значение уровня.

Приборы для непрерывного слежения за уровнем принято называть уровнемерами, приборы для сигнализации о предельных значениях уровня – сигна­лизаторами уровня.

Все приборы для измерения уровня (уровнемеры и сигнализаторы) можно классифицировать по принципу действия, в основу которого берутся различные физические методы.

1. Визуальные приборы измерения уровня (указатели уровня) действие которых основано на принципе сооб­щающихся сосудов.

2. Поплавковые приборы измерения уровня – в которых для измерения уровня используется попла­вок или другое тело, находящееся на поверхности контролируемой среды.

3. Буйковые приборы измерения уровня – в которых для измерения уровня используется массивное тело (буёк), частично погружаемое в контролируемую среду.

4. Гидростатические приборы измерения уровня – действие которых основано на измерении гидростатического давления столба жидкости.

5. Емкостные приборы измерения уровня – действие которых основано на том, что диэлектриче­ская проницаемость водных растворов солей, кислот и щелочей отличается от диэлектрической проницаемости воздуха либо водных паров.

6. Ультразвуковые приборы измерения уровня – действие которых основано на принципе отражения звуковых волн от поверхно­сти контролируемой среды.

7. Радарные (микроволновые) приборы измерения уровня – в основу действия которых заложен принцип отражения электромагнитного сигнала высокой частоты от поверхности контролируемой среды.

8. Радиоизотопные приборы измерения уровня – основанные на использовании интенсивности потока ядерных излучений, зависящих от уровня контролируемой среды.

Использование всего многообразия методов измерения позволяет контролировать уровень самых разных сред: жидких (чистых, загрязнённых), пульп, вязких, твёрдых сыпу­чих различной дисперсности.

При выборе типа уровнемера приходится также учитывать и другие физические и химические свойства контролируемой сре­ды, которые могут повлиять на ход процесса контроля или на работоспособность самого прибора: температура, давление, абразивные свойства, взрыво­опасность, вязкость, электрическая прово­димость, химическая агрессивность и другие.

Почему у нашей статьи такое название? Да потому, что речь в нашей статье пойдет о классе уровнемеров, появившихся сравнительно недавно, и имеющих сразу три названия. Т.е. в данном случае, радиолокационные, радарные и микроволновые уровнемеры – это, можно так сказать, синонимы.

Сперва, поговорим, вообще, о технологии работы радаров и уровнемеров в частности.

Ученые-изобретатели всего мира задавались вопросом о возможности и необходимости применения радиоволн для обнаружения объектов на расстоянии ещё в 19 веке. Так, в 1886 году физик Генрих Герц (Германия) заметил, что радиоволны обладают способностью отражаться от металлических и диэлектрических предметов. Это дало предпосылки для того, чтобы многие ученые умы обратили свое внимание на природу радиоволн, и приступили к их изучению. В 1897 году русский ученый Попов установил, что, радиоволны отлично отражаются от металлической обшивки и деталей кораблей, и при должном уровне принимающего устройства, эта технология может быть использована для навигации кораблей. Но, главный прорыв в деле радиоволн и их практического применения был совершен  Кристианом Хюльсмайером (Christian Huelsmeyer) – изобретателем из Нижней Саксонии. Чем же так знаменит обычный паренек, родившийся в Германии в 1881 году? Кристиан Хюльсмайер – изобретатель радара. Ещё когда он был школьником, он проводил эксперименты с прибором модели Герца и обратил внимание, что металлические зеркала способны отражать электрические волны. На основании своих заметок, он сделал вывод о том, что используя эти волны, можно находить корабли в тумане (ведь в Северном море, с которым граничит Нижняя Саксония, туманы – не редкость) и любые другие металлические объекты. В возрасте 25 лет (в 1904 году) им был получен патент на прибор, в котором был использован эффект отражения радиоволн для обнаружения морских и речных судов. И хотя, из-за несовершенства конструктивного исполнения прибор Хюльсмайера практического применения не нашел, сама идея применения радиоволн, дала толчок к развитию радиолокационных технологий. Лишь тридцать с лишним лет спустя, была создана реальная аппаратура, которая могла быть использована на практике.

Всё шло своим чередом, и вот на рубеже 70-х – 80-х годов 20 века, появилась реальная потребность в бесконтактных уровнемерах. Всё дело в том, что контактные способы измерения уровня (с использованием буйковых и поплавковых уровнемеров) достигли своего максимума в точности, надежности, снижении затрат на обслуживание, и поэтому, стали сдерживать темпы автоматизации в сфере управления резервуарными парками. Впервые радарную технологию для контроля уровня применила в 1976 году компания SAAB (SAAB Rosemont Tank Control) для сырой нефти, в процессе перевозки супертанкерами.

Рисунок 1. Уровнемер Saab TankRadar в настоящее время.

До этого нововведения, для целей контроля уровня использовались измерительные системы, главным недостатком которых являлась зависимость точности показаний от давления, температуры, плотности среды. Радарные уровнемеры были лишены этих недостатков, что и обусловило их быстрое распространение во всех отраслях промышленности.

Рисунок 2. Принцип действия радиолокационного уровнемера.

Итак, в настоящее время, микроволновые радарные уровнемеры – это, пожалуй, самые технологически сложные средства для измерения уровня. Для определения расстояния до объекта контроля, здесь применяется электромагнитное излучение сверхвысокой частоты (СВЧ). Принцип действия любого радиолокационного уровнемера сводится к измерению времени распространения радиоволны от антенны (излучателя) уровнемера до поверхности контролируемого продукта и обратно на приемное устройство.

Вообще, существует два типа микроволновых уровнемеров:

– Уровнемер использующий радиоизлучение, непрерывное модулированное по частоте (так называемый FMCW – frequency modulated continuous wave).

Импульсные радарные уровнемеры излучают сигнал в импульсном (кратковременное излучение через равный промежуток времени) режиме. Прием отраженного сигнала, в этом случае, осуществляется в промежутках между испускаемыми импульсами. Импульсный радиолокационный уровнемер измеряет время прохождения сигнала туд-обратно, и таким образом определяет расстояние до поверхности контролируемой среды. Это наиболее простой и экономный, в плане электропитания, уровнемер. Однако, в виду того, что такие уровнемеры имеют недостатки, связанные со сложностью их изготовления, они не нашли широкого применения для точных измерений уровня. Ведь достигнуть малой длительности излучаемого импульса (импульс должен быть наносекундным, чтобы закончиться раньше, чем вернется отраженный импульс), а после измерить этот сверхкороткий импульс достаточно сложно, даже при современном развитии науки и техники. При слабой отражающей способности измеряемой среды, импульс может попросту «потеряться», поэтому передатчик импульсного уровнемера должен быть достаточно мощным. В основном, это уровнемеры иностранного производства.

Уровнемеры FMCW излучают постоянный непрерывный линейно частотно модулированный сигнал, и, в то же время, принимают отраженный сигнал, используя одну и ту же антенну. При этом, частота радиосигнала постоянно изменяется во времени по линейному закону (отсюда и название – линейный частотно модулированный). Время возвращения сигнала, отраженного от поверхности среды ил продукта зависит от скорости света и расстояния до продукта. Излучаемый и отраженный сигнал «смешиваются» в датчике уровня, в результате, получается сигнал, частота которого равняется разности частот излученного и принятого сигналов (на рисунке 2 обозначено как «F»). По этому  «смешанному» сигналу и определяется расстояние от антенны до измеряемой среды. Обработка такого сигнала осуществляется благодаря микропроцессорной системе, где частота результирующего сигнала пересчитывается в уровень наполнения какой-либо ёмкости. В качестве примера приведем уровнемеры семейства БАРС: «БАРС-314И», «БАРС-351И», «БАРС-332МИ» и «БАРС-322МИ».

Как правило, рабочая частота радарных СВЧ уровнемеров, вне зависимости от типа, варьируется от 5,8 до 26 ГГц. Здесь есть одна закономерность: чем выше рабочая частота, тем выше энергия излучения и тем более узок луч и, как следствие, тем сильнее отраженный сигнал. Именно поэтому, большинство высокочастотных уровнемеров способны измерять уровень наполнения емкости для сред с низкой диэлектрической проницаемостью и слабой отражательной способностью. Радарные уровнемеры удобны для работы в емкостях, в которых установлено различное оборудование, «съедающее» рабочее пространство для эксплуатации уровнемера.

Однако, стоит упомянуть, что высокочастотные радарные уровнемеры достаточно чувствительны к таким факторам, как испарения, конденсат, запыленность, волнение на поверхности измеряемой среды, налипание среды на поверхности приемно-излучательной антенны. Для таких условий, больше подойдут уровнемеры с частотой от 5,8 до 10 ГГц, а также устройства с подогревом антенны, или антенной, спрятанной внутрь корпуса.

Кстати, насчет антенн – они оказывают огромное влияние на формирование и мощность сигнала. Тип и размер антенны, определяют, насколько точными будут показания уровнемера. Ведь чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она способна излучить, и в то же время принять отраженный сигнал. Различают следующиетипы и размеры антенн:

– Рупорная или коническая антенна – это наиболее универсальный тип антенн (рисунок 3). Как правило, рупорные антенны используют для больших емкостей. Конические антенны могут работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости и отражающей способности. Они подходят для применения в самых сложных условиях, и обеспечивают диапазон измерения от 0 до 40 метров в условиях спокойной поверхности. Примером такого уровнемера может являться «УР-203 Ex», «РДУ-1» и «ГАММА-РДУ», и защищенный «РДУ-Х2».

Рисунок 3. Радарный уровнемер с рупорной или конической антенной.

– Стержневая антенна – как правило, используется для небольших емкостей для измерения уровня химически агрессивных сред или гигиенических продуктов, а также в случае, если доступ в емкость ограничен малыми размерами патрубка (Рисунок 4).  Диапазон измерения у стержневых антенн составляет от 0 до 20 метров. Стержневая антенна для агрессивных сред, как правило, покрывается слоем защитной изоляции.

Рисунок 4. Радарный уровнемер со стержневой антенной.

-Тросовая антенна – по сути, является разновидностью стержневой удлиненной погружной антенны.  Здесь, металлический трос выступает в качестве антенны (рисунок 5). Эти антенны идеальны для измерения уровня сыпучих и жидких сред. На точность показаний не оказывает никакого влияния сильное пылеобразование, пенообразование, шум, конденсат, вскипание. Благодаря погружной конструкции, – тросовые антенны прекрасно подходят для крупных емкостей неправильных форм: шарообразных, имеющих коническое днище и др. Диапазон измерения у тросовых антенн составляет от 0 до 75 метров.

Рисунок 5. Радарный уровнемер с тросовой антенной.

– Трубчатая или коаксиальная антенна – технически, представляет собой надстроенный удлиненный волновод. Такая антенна позволяет формировать сильный сигнал благодаря снижению рассеивания. Коаксиальная антенна используется, как правило, в сложных случаях: сильное волнения поверхности среды, большой слой пены на поверхности, либо для сред с очень низким уровнем диэлектрической проницаемости. Уровнемер с такой антенной имеет небольшой диапазон измерения уровня.

Рисунок 6. Радарный уровнемер с трубчатой (коаксиальной) антенной.

– Параболическая антенна – приборы с такой антенной являются, пожалуй, самыми точными приборами. Они могут обеспечить точность до 1 мм. Они применяются в системах для коммерческого учета.

Рисунок 7. Радарный уровнемер с параболической антенной

– Планарная или микрополосковая антенна – сложно говорить о точности этих приборов, поскольку здесь всё зависит от производителя и размера печатной платы. И хотя, за этими приборами будущее, но на данном этапе, большой точностью, за исключением некоторых приборов, они не располагают. Таким высокоточным исключением является, например, «УЛМ-11», «УЛМ-11А1», «УЛМ-11А2» и «УЛМ-31А2».

Рисунок 8. Радарный уровнемер с планарной (микрополосковой) антенной.

Итак, радарные уровнемеры, на данный момент, отвечают самым высоким требованиям: точность, надежность, диаметр измерения, простота установки и эксплуатации. Однако, помимо достоинств, у радиолокационных уровнемеров есть и недостатки: высокая цена, которая складывается из стоимости приемопередающего блока и самой антенны.

Кстати, особняком стоят микроволновые радарные сигнализаторы уровня, которые предназначаются для оповещения о достижении определенного уровня средой и подачи сигнала на пульт управления или на запорные клапаны или другую аппаратуру. Такими сигнализаторами являются: «РСУ-1» и «РСУ-3», для тяжелых сыпучих продуктов «РСУ-1Р-2» и «РСУ-1Р-2А», «РСУ-1Р» и «РСУ-1РА» для сыпучих материалов температурой до +200oC, для неабразивных сыпучих материалов «РСУ-2» и «РСУ-2А», «РСУ-4» для сыпучих продуктов и «РСУ-500» для контроля нагретых до +1500 градусов Цельсия сыпучих продуктов.

Рисунок 9. РСУ-4 сигнализатор уровня микроволновый радиолокационный.

Радарные уровнемеры являются самыми универсальными средствами измерения. Приборы этого типа прекрасно подойдут и для больших емкостей и для малых, с кривизной и без, для неоднородных сыпучих продуктов, и жидких сред, для химически активных веществ и для пищевых продуктов, для сред под давлением и температурой. В линейке микроволновых радарных уровнемеров, можно найти приборы на любой вкус и кошелек.

Указатели уровня (визуальные уровнемеры), используются для простого и быстрого измерения верхнего уровня и/или границы раздела жидких сред. Осуществляют работу в непрерывном режиме.

Визуальные уровнемеры зарекомендовали себя как самый простой, удобный и дешевый способ организации контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Имеют надежную конструкцию, подлежат самостоятельному монтажу и обладают ремонтопригодной конструкцией.

Область применения визуальных уровнемеров

Указатели уровня применяются в нефтеперерабатывающей, пищевой, химической и других отраслей промышленности. Подходят для работы с водой и водными растворами, растительным и машинным маслом, пищевыми жидкостями, керосином и этиленовым спиртом. Некоторые модели могут использоваться для измерения уровня сверх агрессивных сред: серная, соляная, плавиковая, азотная кислоты, щелочи и т.д.

Рис.1 Указательные стёкла:

а – проходящего света; б – отраженного света; в – составного типа

Данный тип приборов является простейшим. К нему относятся так называемые указательные стекла. В основе работы указательных стекол лежит принцип сообщающихся сосудов:

• Трубка указательного стекла соединяется с контролируемой емкостью либо одним нижним концом (с открытыми сосудами), либо обоими концами (с сосудами под разрежением или давлением).
• Об изменении уровня в сосуде можно судить по положению уровня жидкости в стеклянной трубке.
• Указательные стёкла могут быть оснащены кранами или вентилями для их отключения от сосуда и для продувки системы.
• В арматуре указательных стекол, работающих под давлением, как правило, имеются предохранительные устройства, автоматически перекрывающие каналы при аварийном разрушении стекла.
• Указательные стекла бывают проходящего света (рис.1, а) и отраженного света (рис.1, б).

Плоские указательные стекла рассчитаны на давление до 2,94 МПа и температуру до 300°С.

Не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 500 мм, поэтому для контроля таких перепадов уровня следует устанавливать несколько стекол последовательно (рис. 1, в).

Популярные модели указателей уровня

LGB указатели уровня. Осуществляют контроль уровня жидкости в непрерывном режиме, устанавливаются в закрытых/открытых и подвижных/стационарных сосудах, работающих под атмосферным или избыточным давлением, а также при наличии вибрации и прочих негативных факторов. Подходят для контроля пищевых и взрывоопасных сред.

LGB указатели уровня футерованные. Обладают высокой химической стойкостью и предназначены для измерения уровня сверх агрессивных сред, таких как высококонцентрированные кислоты (серная, соляная, плавиковая, азотная), или щелочи (едкий натр, едкий калий, различные гидрооксиды металлов).

LGB-OT указатели уровня верхнего монтажа. Имеют необычный вариант монтажного присоединения: OT – монтаж сверху ёмкости (овертанк).

Меры предосторожности

К основным недостаткам указателей уровня относятся высокая вероятность механического повреждения трубки и невозможность работы при давлении в емкости, превышающем показатель в 25 бар. Также не рекомендуется использовать визуальные уровнемеры при необходимости SIP или CIP мойки резервуаров. Помимо этого, работу устройств может осложнять:

• Повышенная вязкость или клейкость жидкости – в этом случае она может налипать на прибор.
• Большое количество твердых частиц в растворах.
• Превышение максимальных значений указанных технологических параметров.

В промышленности и быту постоянно существует необходимость контроля за уровнями жидкостей в емкостях. Устройства измерения классифицируют как контактные и бесконтактные. Для обоих вариантов датчик уровня воды располагают на определенной высоте резервуара, и он срабатывает, сигнализируя или подавая команду на изменение режима ее подачи.

Контактные устройства работают на основе поплавков, переключающих схемы при достижении жидкостью заданных отметок.

Бесконтактные способы подразделяются на магнитные, емкостные, ультразвуковые, оптические и другие. Устройства не имеют подвижных частей. Они погружаются в контролируемые жидкие или сыпучие среды или закрепляются на стенках баков.

Поплавковые датчики

Надежные и дешевые устройства для контроля уровня жидкостей с помощью поплавков наиболее распространены. Конструктивно они могут различаться. Рассморим их виды.

Вертикальное расположение

Часто применяется поплавковый датчик уровня воды с вертикальным штоком. Внутри него размещен круглый магнит. Шток представляет собой полую пластиковую трубку с расположенными внутри герконами.

Электрические схемы с герконами могут отличаться при внешнем сходстве механической части. Датчики располагаются на одном, двух и большем количестве уровней, подавая сигнал о том, насколько наполнен бак. Они также могут быть линейными, непрерывно передавая сигнал.

Горизонтальное расположение

Если сверху датчик установить не удается, его крепят горизонтально к стене резервуара. Магнит с поплавком устанавливают на рычаге с шарниром, а геркон помещают в корпусе. При подъеме жидкости в верхнее положение магнит подходит к коннтактам и датчик срабатывает, сигнализируя о достижении предельного положения.

При повышенной загрязненности или замерзании жидкости применяется более надежный поплавковый датчик уровня воды на гибком тросе. Он состоит из размещенной на глубине небольшой герметичной емкости с металлическим шариком с герконовым контактом или тумблером внутри. При совпадении уровня воды с положением датчика происходит переворот емкости и срабатывание контакта.

Одними из самых точных и надежных поплавковых датчиков являются магнитострикционные. Они содержат поплавок с магнитом, которые скользят по металлическому стержню. Принцип работы заключается в изменении продолжительности прохождения через стержень ультразвукового импульса. Отсутствие электрических контактов существенно повышает четкость срабатывания при достижении границы раздела сред заданного положения.

Емкостные датчики

Бесконтактное устройство реагирует на разницу между диэлектрической проницаемостью разных материаллов. Датчик уровня воды в резервуаре устанавливается снаружи боковой стенки емкости. В этом месте должна быть вставка из стекла или фторопласта, чтобы через нее можно было различить границу раздела сред. Расстояние, на котором чувствительный элемент улавливает изменение контролируемой среды, составляет 25 мм.

Герметичное исполнение емкостного датчика дает возможность помещать его в контролируемую среду, например, в трубопровод или в крышку резервуара. При этом он может находиться под давлением. Таким образом поддерживается наличие жидкости в закрытом реакторе при осуществлении технологического процесса.

Электродные датчики

Датчик уровня воды с помещенными в жидкость электродами реагирует на изменение электропроводности между ними. Для этого их крепят зажимами и размещают на предельно верхнем и нижнем уровнях. С более длинным в паре устанавливают еще один проводник, но обычно вместо него используют металлический корпус резервуара.

Схема датчика уровня воды соединяется с системой управления электродвигателем насоса. При полном баке все электроды погружены в жидкость и между ними протекает ток управления, который является сигналом на отключение двигателя водяного насоса. Вода также не поступает, еслти она не касается оголенного верхнего проводника. Сигналом включения насоса является снижение уровня ниже длинного электрода.

Проблемой всех датчиков является окисление контактов, находящихся в воде. Чтобы уменьшить его влияние, применяют нержавеющую сталь или графитовые стержни.

Датчик уровня воды своими руками

Простота устройства дает возможность изготовить его самостоятельно. Для этого нужен поплавок, рычаг и клапан. Вся конструкция размещается в верхней части бака. Поплавок с рычагом соединяется со штоком, перемещающим поршень.

При достижении водой верхнего предельного уровня поплавок перемещает рычаг, который воздействует на поршень и закрывает подачу через нижнюю трубу.

По мере расхода воды поплавок опускается, после чего поршень снова открывает отверстие, через которое можно опять наполнять резервуар.

При правильном выборе и изготовлении датчик уровня воды, своими руками собранный, надежно работает в домашнем хозяйстве.

Заключение

Датчик уровня воды незаменим в частном секторе. С ним не теряется время при контроле за наполнением бака на огороде, уровнем в колодце, скважине или септике. Простое устройство без помощи хозяина вовремя запустит или отключит водяной насос. Только не стоит забывать о его профилактике.

Применение датчиков уровня воды, на самом деле, гораздо шире, чем кажется на первый взгляд. Они используются для измерения уровня воды в ёмкостях различного типа и назначения. Различают:

Вода используется повсеместно, как в быту, так и на производстве. И везде возникает необходимость контролировать ее уровень, поскольку перелив или опустошение емкости может привести к серьезным негативным последствиям.

Измерять уровень можно либо постоянно с помощью уровнемеров и индикаторов уровня, либо точечно, используя сигнализаторы предельного уровня.

Как выбрать прибор для измерения уровня воды?

Датчики измерения уровня воды применяются для измерения ее количества в условном баке. В нашем каталоге более 30 видов датчиков контроля уровня воды. Готовы проконсультировать, так как важно не ошибиться в выборе.

Основным критерием подбора являются условия эксплуатации. Также следует учитывать, какие именно данные необходимо контролировать (достижение водой конкретной точки, непрерывное измерение уровня и пр.), размер и предназначение емкости, возможности монтажа датчика и т.п.

Сигнализаторы предельного уровня воды

Когда возникает либо исчезает контакт со средой, данные устройства сигнализируют о достижении предельного уровня. Сигнализаторы используются для предотвращения перелива ёмкости/сухого хода насоса, поддержания заданного уровня воды в установленных пределах, а также в качестве предупредительной сигнализации.

Уровнемеры для непрерывного измерения уровня воды

Эти приборы непрерывно показывают степень заполнения ёмкости. Уровнемеры могут использоваться для:

• мониторинга количества воды в различных резервуарах,
• дозирования,
• управления технологическими процессами.

Большинство уровнемеров (за исключением микроволновых, акустических и радарных) используют для измерения зонд, погружённый в жидкость. Именно здесь начинаются различия принципов действия. В нашем каталоге представлены уровнемеры paзличнoгo назначения. Выбор нужного зависит от многих факторов, таких как: тип емкости, условия и место эксплуатации и т.д.

Индикаторы уровня воды

Индикаторы уровня воды применяются исключительно для мониторинга уровня водяного столба. В них нет элементов, преобразующих механическое воздействие (повышение/понижение уровня воды) в электрический импульс. Поэтому управлять изменением уровня с помощью индикаторов можно лишь наблюдая за шкалой на них.

Вода необходима практически в любом технологическом процессе. В любой промышленности она используется для разных целей, будь то:

• закалка,
• токарная и фрезерная обработка (здесь вода используется в составе СОЖ),
• на атомных электростанциях (в качестве рабочего тела),
• для производства пищи,
• орошение полей и т.д.

Перечислять области применения можно бесконечно. A где необходимо использование воды, там требуется и её хранение. Соответственно, нужно знать её количество, которое на данный момент подготовлено для использования. Во многих технологических процессах не обойтись без постоянного контроля уровня. В решении таких задач могут помочь сигнализаторы уровня, уровнемеры и индикаторы.