Датчики контроля уровня жидкости в системе водоснабжения

Главная /
ТСА /
Датчики /
Уровень /

Датчики контроля уровней жидкости

Когда я работал по найму, то мне приходилось очень часто использовать датчики уровня жидкости. В моей практике жидкостей было два вида – вода и масло. Но почти в любом производстве хоть какая-нибудь жидкость да есть. И часто её уровень необходимо контролировать. Поэтому на рынке представлено очень большое разнообразие датчиков уровня жидкости. О них и поговорим в этой статье.

Типы датчиков уровня жидкости

Вот все возможные виды датчиков уровней жидкости. Может, конечно, есть и другие. Но это то, что мне удалось вспомнить и найти в разных источниках.

Датчики уровня жидкости поплавковые герконовые

Эти датчики являются наиболее распространёнными, потому что они:

• Недорогие
• Простые
• Надёжные

Там, где это возможно, я советую применять именно поплавковые датчики.

Строго говоря, они не обязательно могут быть герконовыми. Например, в качестве контакта может быть не геркон,
а микропереключатель. Но в подавляющем большинстве случаев используется именно геркон (кстати, кто не знал,
геркон – это герметичный контакт).

На рисунке показана наиболее распространённая конструкция поплавкового датчика. На круглый штырь надет поплавок, который имеет форму кольца. Внутри поплавка магнит. На одном или на нескольких уровнях внутри штыря размещены герконы. Когда под воздействием жидкости поплавок перемещается по штырю, то, сравнявшись с герконом, магнит поплавка воздействует на геркон, что приводит к замыканию или размыканию его контактов (в зависимости от конструкции геркона).

Чтобы поплавок не слетел со штыря, на штыре есть ограничители. Эти же ограничители не дают поплавку проскочить мимо геркона. Поэтому контакты геркона остаются в состоянии “сработки”, даже если жидкость поднимется выше верхнего геркона или наоборот, понизится ниже нижнего геркона.

При заказе датчика указывается количество уровней и размеры датчика: расстояние от верхней части бака до верхнего контролируемого уровня, и расстояние от от верхней части бака до нижнего контролируемого уровня.

Обычно такие датчики отслеживают один или два уровня. Как правило – это либо верхний, либо нижний, либо верхний и нижний. Реже встречаются трёхуровневые датчики такого типа. Большее количество уровней у таких датчиков я не видел. Да и практической необходимости отслеживать уровень более чем в трёх точках обычно нет. Но если это всё-таки очень нужно, то можно использовать несколько одно- или двухуровневых датчиков с разными размерами.

Подвесные сигнализаторы уровня

Это тоже поплавковые датчики, но они работают по другому принципу: датчик подвешивается на кабеле в ёмкость с жидкостью, и когда жидкость подходит к поплавку, то он переворачивается и замыкает или размыкает контакт (в зависимости от конструкции датчика):

Такие датчики немного дороже, но их приходится применять там, где не могут работать поплавковые датчики рассмотренного выше типа. Например, при отслеживании уровней в ёмкостях со сточными водами (канализацией), с маслами, которые могут налипать на поплавок и т.п.

Ёмкостные датчики уровня жидкости

Здесь речь пойдёт также о дискретных датчиках. То есть о датчиках, которые отслеживают уровень, а не измеряют его. Ёмкостные датчики хороши тем, что в некоторых случаях вам не нужно делать отверстия в баке – вы просто устанавливаете датчики на внешней стенке резервуара, и всё. Но это возможно (и то не всегда) для неметаллических ёмкостей.

В металлических можно попробовать, но, скорее всего, это не прокатит. Тогда придётся прорезать окошки в баке и устанавливать в них площадки, например, из оргстекла. Либо, если датчик допускает возможность соприкосновения с жидкостью, непосредственно врезать его в бак (такие датчики обычно имеют круглую форму с резьбой).

Когда жидкость контактирует с датчиком, то чувствительный элемент датчика фиксирует изменение ёмкости (ёмкость жидкости отличается от ёмкости воздуха). Датчик “срабатывает”.

Такие датчики достаточно надёжны. Основное их преимущество в том, что у них нет механических контактов и других частей, которые могут изнашиваться или как-то влиять на надёжность. Также преимуществом является бесконтактный способ работы – при первом варианте использования датчик не контактирует непосредственно с жидкостью. Иногда это имеет значение.

Но есть и недостаток – ёмкость зависит от многих параметров – от состава жидкости, от характеристик окружающей среды и т.п. Поэтому в некоторых случаях добиться устойчивой работы без ложных сработок (или несработок) очень сложно или даже невозможно.

Также существуют ёмкостные измерители уровня. То есть ёмкостные датчики уровня с аналоговым выходом. Они относительно недорого стоят, но их постоянно приходится калибровать, поскольку ёмкость зависит от множества факторов, которые в некоторых системах постоянно меняются.

Кондуктометрические датчики уровня жидкости

Это достаточно простой и надёжный способ отслеживания уровня жидкости. Но у него есть один недостаток – жидкость должна быть электропроводной. Поэтому, например, измерять уровень масла такими датчиками нельзя. Также нельзя измерять ими уровень горючих жидкостей, даже если они проводят ток – вероятность искры мала, но она существует, поскольку на электроды подаётся напряжение.

Чаще всего такие датчики используются для измерения нескольких уровней воды – обычно от 2 до 4.

Принцип работы такого датчика уровня основан на электропроводности жидкости. На электроды подаётся напряжение. И когда электрод датчика уровня жидкости соприкасается с ней, то ток начинает течь через жидкость в поисках другого электрода. И если он такой электрод находит, то есть если оба электрода погружены в жидкость, то прибор, к которому подключен датчик, понимает, что на этом уровне жидкость есть, и выдаёт соответствующий сигнал.

Если ёмкость металлическая, то в качестве общего электрода можно использовать саму ёмкость. Но здесь надо помнить, что ёмкости с водой (а таким способом отслеживают обычно уровни воды), как правило, имеют налёт ржавчины, что может снизить электропроводность и привести к сбоям в работе датчика. Кроме того, так будет сложнее добиться устойчивой работы из-за того, что расстояние между стенкой ёмкости и электродом может оказаться больше, чем нужно для срабатывания датчика.

Ультразвуковые датчики уровня жидкости

Всё, о чём говорилось выше – это дискретные датчики. На выходе таких датчиков сигнал либо есть, либо нет. И измерять уровень такими датчиками нельзя, можно только отслеживать его в нескольких точках. Однако нередко требуется именно измерять уровень. Например, в топливном баке. Согласитесь, что водитель был бы сильно расстроен, если бы вместо шкалы и стрелки у него была информация только о том, полон бак или пуст.

Для измерения уровня часто используются ультразвуковые датчики. Принцип работы такого датчика заключается в следующем:

• Датчик посылает звуковые волны (точнее, ультразвуковые).
• Эти волны отражаются от поверхности жидкости и возвращаются в датчик.
• Так можно вычислить время, которое требуется на прохождение волн от датчика к поверхности жидкости и обратно.
• Зная скорость распространения ультразвука и время, которое потребовалось на прохождение волны от датчика к
  поверхности и обратно, микроконтроллер датчика определяет расстояние от датчика до поверхности жидкости.

Уровень легко вычислить:

L = H – h

Часто это можно сделать непосредственно в датчике, поскольку все такие приборы – это
микропроцессорные устройства с цифровым выходным сигналом (хотя есть и с аналоговым).

Ультразвуковые датчики достаточно надёжны, но их применение ограничивается некоторыми недостатками:

Ультразвуковые датчики уровня бывают и с дискретным выходом. Они, как правило, используются в качестве сигнализаторов предельного уровня.

Радарные датчики уровня жидкости

В общем-то всё, что сказано про ультразвуковые датчики, справедливо и для радарных датчиков. Отличие лишь в виде волн. В первом случае это ультразвук, а у радарных датчиков это микроволны (электромагнитные волны, передаваемые с помощью радиосигнала).

Ещё одна особенность – разная скорость распространения ультразвука и радиоволн. Но в случае измерения уровня жидкости это неважно, поскольку резервуары наполняются жидкостью достаточно медленно. Поэтому эта разница в скорости распространения волн значения не имеет.

Есть ещё рефлексные датчики, которые также используют микроволны, только направляются они не через радиосигнал, а в виде микроимпульсов по направляющей зонда. Такой датчик, в отличие от радарного, не является бесконтактным – зонд должен контактировать с жидкостью на всём измеряемом уровне.

Гидростатические датчики уровня жидкости

Принцип действия гидростатических датчиков основан на изменении давления. Как известно, чем больше глубина, тем больше давление. Следовательно, измеряя давление и зная зависимость давления от глубины, можно определить глубину, и, соответственно, уровень.

Здесь, конечно, есть много подводных камней, потому что давление зависит от многих факторов. Но влияние этих факторов производители стараются учесть и компенсировать техническими решениями.

Выходной сигнал такого датчика, как правило, аналоговый. Но бывают и гидростатические датчики (сигнализаторы) с дискретным выходом.

Вибрационные датчики уровня жидкости

Вибрационные датчики уровня довольно дорогие. Но в некоторых случаях только их и можно использовать. Это дискретные датчики. То есть более правильно называть их сигнализаторами уровня.

Чувствительный элемент вибрационного датчика обязательно должен контактировать с жидкостью.

Принцип работы вибрационного датчика с двумя пьезоэлектрическими элементами следующий:

• Первый пьезоэлектрический элемент генерирует вибрации.
• Второй пьезоэлектрический элемент улавливает эти вибрации и формирует электрический импульс.
• Когда чувствительный элемент датчика погружается в жидкость, то частота вибраций изменяется, вибрация затухает и на выходе формируется сигнал “сработки”.

Оптические датчики уровня жидкости

Оптические сигнализаторы уровня тоже довольно дорогие. Это датчики с дискретным выходом. Принцип их действия основан на свойствах жидкости пропускать или преломлять свет. Это может быть как видимый диапазон излучения, так и невидимый (например, инфракрасный).

Конструкция датчиков может быть разной. Но в любом случае он имеет излучатель и приёмник световых волн.

Когда жидкость появляется между излучателем и приёмником, то приёмник перестаёт “видеть” свет от излучателя, и датчик срабатывает (то есть выдаёт на выход сигнал).

Байпасные датчики уровня жидкости

Это аналоговые датчики. Довольно громоздкая и не дешёвая конструкция. Используются только в достаточно специфических случаях.

Байпас – это обходная камера. Проще говоря – это трубка, которая подсоединяется к резервуару в двух точках – вверху и внизу, и работает как сообщающийся сосуд. Внутри этой трубки поплавок. В поплавке может быть, например, магнит, который воздействует на шкалу с магниточувствительными элементами, прикреплённую к байпасу.

Шкала может быть как просто визуальной, так и с какими-то электрическими или электронными элементами, которые реагируют на магнитное поле. В простейшем случае это может быть набор герконов.

Таким образом на выходе получаем (после преобразований) аналоговый сигнал, который можно использовать для измерения уровня.

Магнитострикционные датчики уровня жидкости

По конструкции это поплавковый датчик. Здесь также поплавок перемещается по штырю. А по принципу действия он похож на байпасный – внутри штыря (трубки) находятся магниточувствительные элементы, которые реагируют на магнит, находящийся внутри поплавка.

Это датчик с аналоговым выходом. Хотя могут быть и цифровые.

Скважинные датчики уровня жидкости

Очень дорогие датчики, предназначенные для измерения уровня в глубоких скважинах. Как правило, принцип действия таких датчиков – гидростатический. То есть он определяет уровень по изменению давления жидкости.

Отличие от обычных гидростатических датчиков только в том, что скважинный предназначен для работы на больших глубинах – десятки и сотни метров.

Классификация датчиков уровня

Датчики уровня
предназначены для непрерывного измерения
уровня различных сред. Применяются для
измерения уровня жидких и сыпучих сред
с различными диэлектрическими свойствами
(кроме сред вязких, кристаллизующихся
и выпадающих в осадках на электрод
датчика), например: жидкости — вода,
кислотные и щелочные растворы, минеральные
и растительные масла; гранулированные
сыпучие зерно, сахар, соль, известняк,
песок, гравий и др.; порошкообразные
сыпучие мел, мука, пресспорошки и др.
Уровнемеры предназначены для применения
в различных отраслях промышленности
при управлении и регулировании
технологических процессов.

Приборы для
измерения уровня можно разделить по
конструкции на шкальные приборы и
бесшкальные датчики. Кроме того, по
принципу измерения различаются приборы:

1) поплавковые, у
которых чувствительным элементом
является плавающий или полностью
погруженный в измеряемую жидкость
металлический поплавок (буек);

2) мембранные, у
которых чувствительным элементом
является мембрана и давление столба
измеряемой жидкости уравновешивается
упругой деформацией мембраны и пружины;

3) манометры или
дифференциальные манометры (поплавковые,
мембранные и др.), у которых давление,
создаваемое столбом жидкости в измеряемом
резервуаре и в уравнительном сосуде,
уравновешивается давлением столба
затворной жидкости или механизмом
прибора;

4) емкостные, у
которых используется изменение
электрической емкости датчика при
изменении уровня измеряемой среды;

5) радиоактивные,
основанные на изменении протекающего
сквозь объект потока излучения при
изменении уровня.

Измерение уровня
вещества, находящегося в резервуаре,
может быть осуществлено также косвенно,
по весу резервуара с веществом.

Кроме того существую
несколько групп датчиков уровня:

а) Механические(
поплавковый, контактно-механические)

б) Пневматические
( барботажный)

в) Гидростатические
(водомерное стекло, буйковый)

г) Тепловые
(ультразвуковой, звуковой)

д) Электрические
(электроконтактный, емкостной, индуктивный)

Чувствительный
элемент – поплавок, находящийся на
поверхности жидкости (рис. 2, а). Поплавок
1 уравновешивается грузом 3, который
связан с поплавком гибким тросом 2.
Уровень жидкости определяется положением
груза относительно шкалы 4. Пределы
измерений устанавливают в соответствии
с принятыми значениями верхних (ВУ) и
нижних (НУ) уровней.

Рисунок 2. Поплавковый
уровнемер

Пневматические
буйковые уровнемеры представляют собой
буйковый уровнемер, обеспечивающий
пневматический выходной сигнал, прямо
пропорциональный изменениям уровня
жидкости. Принцип действия уровнемера
основан на пневматической силовой
компенсации. При изменении уровня
жидкости на чувствительном элементе
(буйке) измерительного блока возникает
усилие, которое через систему рычагов
и тяг перемещает заслонку пневмопреобразователя
относительно сопла. Давление из линги
сопла поступает на выход прибора и в
сильфон обратной связи, который создает
уравновешивающий момент. предназначен
для работы в системах автоматического
контроля, управления и регулирования
параметров технологических процессов
в целях выдачи информации в виде
стандартного пневматического сигнала
об уровне жидкости или границе раздела
двух несмешивающихся жидкостей,
находящихся под вакуумметрическим,
атмосферным или избыточным давлением.

Рисунок
3. Пневматический уровнемер

В них измеряемые
значения уровня жидкости преобразуются
в соответствующие электрические сигналы.
Наиб. распространены емкостные и
омические приборы. Принцип действия
электрических уровнемеров основан на
различии электрических свойств жидкостей
и газов. При этом жидкости, уровень
которых измеряется, могут быть как
проводниками, так и диэлектрика ми; газы
же, находящиеся в нажидкостном
пространстве, всегда диэлектрики.
Основным параметром, определяющим
электрические свойства проводников,
является их электропроводность, а
диэлектриков – относительная диэлектрическая
проницаемость, показывающая, во сколько
раз по сравнению с вакуумом уменьшается
в данном веществе сила взаимодействия
между электрическими зарядами.

Рисунок 4.
Электрический уровнемер

1.4 Звуковой уровнемер

Акустический
прибор основан на прослушивании звукового
сигнала через наушник, соединенный с
трубкой, опускаемой в пьезометр.
Возбужденный сигнал прекращает звучать
при достижении акустической трубки
уровня воды в пьезометре.

На крупных гидроузлах
с большим числом пьезометров целесообразнее
дистанционная передача сигнала на
центральный пульт автоматизированной
системы контроля состояния сооружения
(ПАСК). В этом случае применяют струнные
пьезодинамометры, снабженные мембраной
с прикрепленной к ней системой
пьезодатчиков, конструкции Гидропроекта.
Прибор размещают в трубе диаметром 60
мм и более.

Емкостной уровнемер
один из типов электрических
датчиков-измерителей уровня. Основан
на принципе измерения уровня жидкости
в резервуаре при помощи измерения
электрической ёмкости датчика.

Датчик емкостного
уровнемера представляет собой
электрический конденсатор, состоящий
из двух обкладок — изолированных
проводников, помещенных в резервуар с
жидкостью, уровень которой измеряется
(иногда используется одна обкладка, а
в качестве второй выступает проводящая
стенка резервуара). Жидкость может
свободно проникать в пространство между
обкладками. Сигналом изменения уровня
жидкости в резервуаре является изменение
электрической ёмкости датчика.

При изменении
уровня жидкости в резервуаре изменяется
относительной диэлектрической
проницаемости пространства между
обкладками конденсатора в результате
изменения уровня жидкости, поскольку
диэлектрическая проницаемость жидкости
и среды без неё (например, воздуха) в
общем случае различна. В результате
изменяется и электрическая ёмкость
датчика.

Емкостные уровнемеры
используются также для измерения уровня
сыпучих сред.

Рисунок 5. Емкостной
уровнемер

В них используется
явление отражения ультразвуковых
колебаний (импульсов) от плоскости
раздела жидкость-газ (обычно воздух).
Время между моментом посылки первичного
импульса и моментом возвращения
отраженного импульса является функцией
высоты измеряемого уровня. Эти приборы
позволяют измерять уровень без контакта
с контролируемой средой в труднодоступных
местах.

Ультразвуковые
уровнемеры обеспечивают бесконтактное
измерение уровня. Точность показателей
не зависит от свойств измеряемого
продукта (например, от диэлектрической
постоянной, проводимости, плотности
или влажности). Ульразвуковые уровнемеры
нечувствительны к налипанию продукта
за счет эффекта самоочистки, вызванного
вибрацией диафрагмы сенсора.

Принцип действия
индуктивных уровнемеров основан на
зависимости индуктивности одиночной
катушки или взаимной индуктивности
двух катушек от глубины их погружения
в электропроводную жидкость. Такая
зависимость обусловлена возникновением
в жидкости под воздействием магнитного
поля переменного тока возбуждения
вихревых токов, магнитное поле которых
оказывает размагничивающее действие
на поле тока возбуждения. Действительно,
по определению индуктивность L катушки
представляет собой отношение магнитного
потока Ф к току I, создающему этот поток:
L = Ф/I. При погружении катушки в жидкость
в ней создаются вихревые токи, магнитное
поле которых по закону Ленца направлено
навстречу основному, т.е. результирующий
магнитный поток будет меньше потока
«сухой» катушки. Это означает, что
индуктивность погруженной катушки
меньше индуктивности сухой катушки.
Таким образом, если индуктивный
преобразователь представляет собой
одиночную длинную катушку, то ее
индуктивность и полное сопротивление
Z = R + jωL будут зависеть от глубины
погружения (R — активное сопротивление
катушки, ω — круговая частота тока
возбуждения). Существуют индуктивные
преобразователи, содержащие две
индуктивно связанные катушки, образующие
трансформатор (трансформаторные
преобразователи).При изменении
индуктивностей L1 и L2 обеих катушек
изменяется их взаимная индуктивность
М ив соответствии с выражением М =
k✓L1L2 , где k —
коэффициент связи, определяемый потоками
рассеяния.

В реальных
конструкциях таких преобразователей
обмотки выполняются намоткой в два
провода, при этом L1 = L2 = L и k ≈ 1.

Из принципа действия
уровнемеров видно, что они пригодны для
измерения уровня только электропроводных
сред. Кроме того, поскольку интенсивность
вихревых токов зависит от электропроводности
среды, ее изменение в процессе измерения
вызовет появление дополнительной
погрешности. Эти уровнемеры получили
наибольшее распространение для измерения
уровня жидкометаллического теплоносителя
в энергетических установках.

Простейшая схема
индуктивного трансформаторного
преобразователя представлена на рис.
1, а. Преобразователь состоит из обмотки
возбуждения 7, по которой протекает
переменный ток возбуждения Iв, и вторичной
обмотки 2, с которой снимается выходной
сигнал Uвых. Преобразователь помещен в
металлический защитный чехол 3, который
герметично закреплен в крышке резервуара.
Это позволяет осуществлять замену
уровнемера без нарушения герметичности
контура. Как уже указывалось, под
действием потока возбуждения в толще
контролируемой среды (например, жидкого
металла) возникают вихревые токи. Это
приводит к зависимости взаимной
индуктивности М между обмотками от
уровня металла. Эта зависимость линейна
по всей длине обмоток, кроме концевых
участков, длиной, равной их диаметру,
где характеристика искривляется.

Рисунок 6. Индуктивный
уровнемер

Соседние файлы в папке курсовой проект

Измерители уровня

По
характеру исходного сигнала датчики
уровня можно разделить на две группы:

1.
Сигнализаторы, которые фиксируют одну
или несколько дискретных значений
уровня.

2.
Уровнемеры, которые осуществляют
беспрерывное измерение уровня в заданных
значениях.

В
зависимости от устройства и принципа
действия измерители уровня бывают
водоуказывающие стекла, поплавки,
мембранные, гидростатические,
термогидравлические, емкостно- омические
и др.

Водоуказывающие
стекла сделанные в виде колонок
действующих по принципу соединенных
сосудов.

У
поплавковых измерителей уровня
чувствительным элементом является
поплавок (рис.17.а) уровень погружения
поплавка и его подъемная сила для одной
и той жидкости остается постоянной.

На
рисунке 17 показанная схема поплавкового
датчика уровня. Исходным сигналом
являются перемещения рычага – 1 и усиление
– Q
какие пропорциональные уровню в сосуд.

На
судах
для автоматической поддержки уровня в
затратных цистернах топлива, используют
поплавковое реле уровня фирм «Мобрей»
«Беста» СРМ -2S.

Положительным
качеством реле является то, что поплавковая
часть отделена от контактной и механически
не связанные между собой и находятся в
кожухах из немагнитных материалов и
имеют широкий диапазон регулирования.

Гидростатический
преобразователь уровня
рисунок (17б) с помощью мембраны – 5
измеряется высота столба жидкости в
трубах – 3 и 4. В трубе 3 высота столба
воды постоянная, она зависит от
среза трубы в конденсационном сосуде
– 1. В трубе 4, согласно принципу соединяющих
сосудов устанавливается уровень
одинаковый, что и в барабане котла.

Таким
образом, мембрана – 5 находится под
действием разности столбов, пропорциональна
изменения уровня в барабане – 2.
Для уменьшения действия качки судна
на измерение уровня в котлах установлена
пружина – 7 и груз – 6. Такие измерители
имеют высокую чувствительность до
9,8ГПа.

В
резервуарах с низким давлением, например
в конденсаторах, постоянный уровень
можно получить с помощью трубки – 7
размещенной в середине резервуара
(рис.17, в) расположенной выше уровня
жидкости. Через трубку постоянно
протекает вода из внешнего источника.
Для сведения к минимуму динамическую
составляющую затрата воды должна быть
небольшая.

Мембранный
преобразователь уровня (рис.18.)
с электрическим исходным сигналом,
принцип действия которого, основанный
на свойстве жидкости давить на дно
танка.

Гидростатическое
давление (Р) столба жидкости пропорционально
его высоте (h)

Датчик
(рис.19.) имеет две мембранные коробки –
2, которые состоят из двух оди-наковых
мембран соединенных по диаметру между
собой капиллярной трубкой – 3.

Под
действием давления столба жидкости,
нижняя мембранная коробка сжимается
при этом воздух через капиллярную трубку
переходит в верхнюю мембранную коробку
к которой прикрепленный якорь – 1
дифференционного трансформаторного
преобразователя. При деформации коробки
якорь перемещается, при чем исходное
напряжение (11вих)
преобразователя будет пропорционально
уровню контролируемой жидкости.

Индуктивный
поплавковый датчик уровня.

Схема
датчика такого типа представлена на
рис.19.

Датчик имеет
поплавковую камеру – 2 изготовленную из
немагнитной стали, которая соединена
с резервуаром, в котором контролируется
уровень жидкости.

Извне
поплавковой камеры, размещенные две
катушки – 1, конической формы. В средней
камере находится сферический поплавок
из магнитной стали, который перемещается
в зависимости от уровня жидкости в
камере. Перемещение поплавка приводит
к уменьшению индуктивности катушек.
Коническая форма катушек разрешает
сдержать линейную зависимость
индуктивности от положения поплавка.
Рассмотренный датчик представляет
собой реверсивный индуктивный
преобразователь. Благодаря кольцам – 4
поплавок не может выйти из зоны катушек.
Индуктивные поплавковые датчики нашли
применение в автоматических системах
поддержки уровня хладагента в судовых
холодильных установках. На таком принципе
действует поплавковый сигнализатор
уровня с магнитоуправляющим контактом,
которые нашли применение для контроля
воды в паровых котлах. Емкостные датчики
уровня используются как определение
уровня диэлектрических жидкостей
(топливо, масла – проницаемость 1,97-2,1)
так и для электропроводных жидкостей.

На
рисунке 20 представленная схема емкостного
датчика уровня – 3 непроводящего жидкости
в котором внешним электродом используется
стенка цистерны – 4, а внутренним –
металлический стержень – 1, имеющий
изолирующее покрытие – 2.

Емкость
такого конденсатора будет зависеть от
уровня жидкости. Преобразователями
такого датчика является высокая
чувствительность, быстрое действие,
малые габариты и масса. Недостатками
такого датчика является зависимость
от температуры и влажности окружающей
среды, вида жидкости и примесей в ней.

Принцип
действия омических датчиков базируется
на замыкании электрической цепи
жидкостью, которая имеет малое омическое
сопротивление. Согласно требованиям
техники безопасности напряжения
электропитания не должно превышать
больше 36В.

На
судах омические датчики используются
для контроля за уровнями жидкости в
танках и цистернах забортной воды,
фекальных цистернах, системах контроля
льяльних вод. Схема сигнализатора уровня
представлена на рис.21.

В
начальном состоянии когда жидкость в
цистерне отсутствует реле Р1
и
Р2
обесточенные.
Заполнение цистерны жидкостью приведет
к замыканию через электрод II.
электрической цепи реле Р1
которое
своим замыкающим контактом подготовит
цепь питания реле Р2.
При достижении уровня жидкости к
электроду I
сработает реле Р2,
которое своими контактами включит
сигнализацию и даст сигнал для включения
насосной установки. Снижение уровня
жидкости не приведет к подключению реле
Р2
так как оно будет получать питание через
свой контакт Р2.

Датчики и
приборы затрат и состава среды

Датчики
расхода делятся на расходомеры и счетчики
расходомеры измеряют затраты среды
(жидкости или газа), счетчики для измерения
количества вещества протекающего по
трубопроводу за определенное время.

В
зависимости от принципа действия
росходомеры бывают: сменного и постоянного
перепада давления, объемные счетчики
и росходомеры, тахометрические и
индукционные росходомеры.

Принцип
работы расходомеров сменного давления
основан на измерении перепада давления
возникающего при протекании жидкости,
пара или газа через суженное устройство
установленный в середине трубопровода.

При
протекании среды через обратное отверстие
часть потенциальной энергии перейдет
в кинематическую что вызовет повышение
средней скорости в суженном отверстии.
В итоге этого статическое давление
после сужения будет меньшим чем перед
ним. Перепад давления будет зависеть
от затрат вещества. В качестве суживающих
устройств используются диафрагмы.

На
рисунке 22 показан трубопровод с
диафрагмой. Для сужения потока могут
использоваться нормальные сопла или
трубки Вентури, последние называются
затратомерной трубой или соплом с
конусом. Диафрагма устанавливаются
между двумя фланцами трубопровода.
Давление измеряется до и после диафрагмы
в розрезе I
и П. В зависимости от затраты среды будет
пропорционально изменяться и перепад
давления Г.

При
этом нужно выполнять следующие условия:
– затраты должны изменяться медленно;
– среда должна находиться в одном
состоянии(жидкость, газ); – должна быть
известная плотность среды.Росходомеры
постоянного перепада давления ротаметры
состоят из вертикальной конусной трубки
– 1 в середине которой находится поплавок
-2 свободно плавающий в потоке измерительной
среды. В верхней части поплавка имеет
косые канавки которые приводят к
обращению поплавка при проходе
измерительной среды. На поплавок
ротаметра действует сила тяготения Р
направленная
вниз

р –
плотность измерительной среды.

Подъемная
сила направленная вверх сравнивается

P1,
P2
-давление жидкости до и после поплавка;
F
– площадь поверхности поплавка.

Перепад
давления в процессе уменьшения затрат
будет постоянным. При уменьшении затрат
поток жидкости передвигает поплавок
до тех пор, пока плоскость кольцевого
разреза между поплавком и стенками
конусной трубки не достигает значения
равновесия в зависимости от измерительной
затраты.

а –
коэффициент расхода;

К-
постоянная ротаметра:

F
-площадь
кольцевого разреза пропорциональная
уменьшению высоты подъема
поплавка.

Тахометрические
расходомеры
принцип
действия которых основан на измерении
количества протекаемой жидкости по
частоте вращения крыльчатки, которая
изменяется пропорционально скорости
протекания жидкости.

Зависимость
между угловой скоростью вращения
крыльчатки
и
скоростью протекания жидкости и можно
выразить соотношением С0=С-3

с – коэффициент
пропорциональности; ц – скорость
протекания

Зависимость
между затратой Q
и скоростью протекания жидкости можно
Q
получить
из следующего выражения

F
– площадь поперечного
сечения
трубопровода.

Таким
образом скорость вращения турбины
пропорциональная затрате. На рисунке
24 показан тахометрический преобразователь
турбинки -2 изготовленная из ферромагнитного
материала с высокой проникновенностью
и размещенная в трубопроводе – 1 в потоке
измерительной жидкости. Для измерения
частоты вращения в росходомере
используется индукционный преобразователь
частоты обращения который состоит из
постоянного магнита и измерительной
обмотки в которой при вращении турбинки
будет приведенная ЕДС частота которая
будет пропорциональная частоте вращения
турбинки. С помощью такого
расходомера
можно измерять не только количество
протекающей жидкости а и

.
ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

3.1
Классификация датчиков уровня.

Датчики уровня
предназначены для непрерывного измерения
уровня различных сред. Применяются для
измерения уровня жидких и сыпучих сред
с раз­личными диэлектрическими
свойствами (кроме сред вязких,
кристалли­зующихся и выпадающих в
осадках на электрод датчика), например:
жидкости — вода, кислотные и щелочные
растворы, минеральные и ра­стительные
масла; гранулированные сыпучие—зерно,
сахар, соль, из­вестняк, песок, гравий
и др.; порошкообразные сыпучие — мел,
мука, пресспорошки и др. Уровне­меры
предназначены для применения в различных
отраслях про­мышленности при управлении
и регулировании технологических
процессов.

змерение
уровня вещества, находящегося в
резервуаре, может быть осуществлено
также косвенно, по весу резервуара с
веществом.

Рассмотрев разные
типы датчиков уровня , и учитывая первый
признак классификации.

1 Поплавковый уровнемер

Указатели уровня
предназначены для контроля уровня
жидкостей, неагрессивных по отношению
к нержавеющей стали 1Х18Н9Т и Ст. 3, и
выпускаются четырех модификаций: УДУ-2М
— для местного контроля в наземных
резервуарах; УДУ-ЗМ — в подземных
резервуарах; УДУ-2 для местного контроля,
дистанционной передачи показаний и
сигнализации крайних положений уровня
в наземных резервуарах, УДУ-3 — в подземных
резервуарах.

Указатели уровня
УДУ-2 и УДУ-3 работают в комплекте с
пультом контроля и сигнализации . ПКС-2,
который устанавливается на столе
оператора.

Для дистанционной
передачи показаний и сигнализации
крайних положений уровня в указателях
уровня УДУ-2 и УДУ-3 к специальным приливам,
расположенным на задней стенке
показывающего прибора, крепится
дистанционная приставка.

На схеме показаны
цепи двух уровнемеров из двадцати,
которые могут быть одновременно
подключены к пульту. Схема сигнализации
работает непрерывно, а схема контроля
включается поочередным подключением
дистанционных приставок к электронному
мосту ЭМВ2-111А, установленному на пульте.

Перемещение одной
из щеток дистанционной приставки
нарушает равновесие мостовой схемы, в
результате чего на вход электронного
моста поступает напряжение небаланса,
которое усиливается и передается на
реверсивный двигатель, перемещающий
реохорд и шкалу моста. Это перемещение
прекратится, как только напряжение
небаланса уменьшится до нуля.

При замере уровня
переключателем П3
выбирается контролируемый резервуар.
Далее поворотом переключателя П1
положение М измерительный мост соединяется
со щеткой метров дистанционной приставки
и по шкале моста

роизводится
отсчет уровня в данном резервуаре в
метрах; при повороте переключателя в
положение СМ производится отсчет уровня
в сантиметрах в пределах метра.

Кнопкой Пк
производится проверка измерительного
прибора. Контроль напряжения моста и
цепи сигнализации осуществляется по
вольтметру, переключением тумблера П2.
При включении тумблера В загорается
сигнальная лампа Лс
работы
пульта ПКС-2.

Визуальный указатель
уровня жидкости ВУУЖ

Схема сигнализации
предназначена для оповещения оператора
о до­стижении уровнем заданных
положений. При достижении в резервуаре
одного из крайних заданных положений
уровня замыкаются контакты дистанционной
приставки — включается цепь реле
сигнализации РС1—
РС20,
которое
своими контактами включает через ключ
К1—К20
сигнальную
лампу Л1—Л20,
соответствующую
номеру данного (резервуара. Включение
сигнальной лампы может производиться
или одновременно с включением звонка
Зв
или без него. Ключи К1—К20
служат также
для проверки работы реле, сигнальных
ламп и звонка. Питание пульта ПКС-2-220/127
в, сигнальных
ламп и звонка осуществляется через
транс­форматор Тр
с напряжением
вторичной обмотки 24 в,
питание реле
сигнализации производится от

ухого
элемента Б2с напряжением
1,5 в.

Пределы измерения
уровня — 0 – 14 м,
наибольшая
погрешность из­мерения: местного
показывающего прибора ±6 мм,
дистанционного
ПКС-2—±15 мм.
Диапазон
предельной сигнализации—11 м;
макси­мальное
расстояние от датчика до пульта при
сопротивлении линии не более 100 ом
— 1 км;
максимальная
вязкость среды ВУ50=2;
допустимое давление в резервуаре — 200
мм вод, ст.

Конструкция
дистанционной приставки отвечает
требованиям взрывобезопасности по
категории М2Б.

Габаритные размеры
в мм: УДУ-2
— 390X1715X355;
УДУ-2М — 290X1715X150; УДУ-3 — 390X410X355; УДУ-ЗМ —
390X410 X
150; ПКС-2 —415X480X600

Применяют для измерения уровня жидкости с пере­менной плотностью.

Принцип действия емкостного датчика основан на измерении электрической емкости, которая меняется в зависимости от положения уровня контролируемой среды вдоль оси датчика. Емкостной датчик представляет собой электрод, погру­женный в измерительную среду. В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлек­тропроводные и электропроводные.

На рис. 6.4, а показано устройство емкостного преобразователя для изме­рения уровня неэлектропроводящей жидкости.

В среду, уровень которой нужно измерять, опущен электрод 1, вторым электродом является заземленный корпус сосуда 2. Электрод надежно изолирован втулкой 3 от корпуса сосуда. Таким образом, преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор сж образован частью электродов и диэлектриком-жидкостью, уровень которой измеряется, конденсатор св образован остальной частью электродов и диэлектриком-воздухом.

Емкость датчика сд выражается уравнением

где L —полная длина электрода;

l — длина, на которую электрод заполнен жидкостью;

ε и ε0 — диэлектрическая проницаемость жидкости и воздуха;

R1 и R2 — радиусы внешнего цилиндра и электрода.

Измерение электрической емкости датчика производится индуктивно-емко­стным мостом (рис, 6.4,б), состоящим из индуктивностей двух вторичных обмоток трансформатора Тр, конденсаторов с1, с2 и емкости датчика сд. Измерительный мост питается от генератора Г частотой 100 кГц. С изменением уровня измеряемой среды изменяется глубина погружения электрода, следовательно, меняется электрическая емкость датчика сд, что приводит к нарушению равновесия моста и появлению на его выходе сигнала дисбаланса, пропорционального уровню измеряемой среды. Сигнал разбаланса подается на вход усилителя, выходное напряжение которого измеряется вторичным прибором ВП (потенциометром или миллиамперметром).

Диапазон измерения зависит от типа датчика, его длины, характеристики измеряемой среды и монтажа датчика на резервуаре (от 1 до 20 м).

Установка указателя вторичного прибора на начальную отметку шкалы производится подстроечным конденсатором c1.

Емкостные измерители уровня для непрерывных измерений(рис.6.5)

Универсальный прибор для всех видов жидкостей, включая агрессивные, коррозионных сред или смесей.

Емкостные датчики используются для непрерывного измерения уровня любых жидкостей. Эти датчики обеспечивают максимальную степень безопасности благодаря наличию специальных экранов. Монтаж осуществляется при помощи резьбового соединения от ¾”.

В комплект приборов входят современные электронные модули FEC 12 и FEC, использующие интеллектуальную технологию Smart.

Ограничения по температуре/ давлению

Температура до +450°C

Давление до 500 атм.

Принцип работы ультразвуковых датчиков уровня

Принцип работы УЗ-датчиков уровня основан на излучении звуковой волны в ультразвуковом диапазоне. Волна выходит из излучателя, отражается от поверхности вещества и возвращается в приемник. В расчёте уровня вещества (сыпучие материалы, жидкость) является основополагающим время полета акустической волны. Ультразвуковой прибор рассчитывает расстояние до вещества на основании измерения времени от передачи до приема сигнала и скорости звука в среде.

Как и все датчики, измеряющие уровень продукта, ультразвуковые подразделяются на два типа – уровнемеры и сигнализаторы. Различие двух типов состоит в том, что уровнемер выдает на выходе аналоговый сигнал, а сигнализатор – дискретный сигнал. Уровнемеры предназначены для постоянного отслеживания уровня жидких или сыпучих материалов, измерения их объема и веса. Сигнализаторы используются для контроля предельных значений уровня вещества в одной или нескольких заданных точках.

Применение ультразвуковых датчиков уровня

Ультразвуковые датчики уровня применимы как для жидких, так и для твёрдых (сыпучих) сред с определенными ограничениями, о которых мы поговорим ниже.

Эти устройства применимы для решения задач измерения/контроля уровня, а также определения сопутствующих величин (расход, объем, температура).

Бесконтактный метод измерения позволяет работать с агрессивными средами (нефтепродукты, кислоты, щелочи). УЗ-датчики уровня применяются в открытых и закрытых резервуарах.

Таким образом, ультразвуковые уровнемеры и сигнализаторы обладают целым рядом преимуществ:

• низкая цена в сравнении с другими типами бесконтактных датчиков;
• бесконтактный способ измерения (возможность работать с агрессивными и вязкими средами);
• надежность измерения независимо от свойств продукта: химических, физических;
• у некоторых моделей есть возможность автономной работы;
• небольшие габариты;
• многозадачность прибора (определение сопутствующих величин, удаленное информирование GPS, SMS, сигнализация).

Несмотря на это, существуют факторы, которые ограничивают их применение.

Давайте более подробно поговорим об особенностях применения УЗ-датчиков.

Нужно помнить, что чем выше частота УЗ-излучения, тем быстрее она затухает в воздушном пространстве. Поэтому приборы с высокочастотным излучением не могут обеспечивать большие расстояния измерения уровня. Частота излучения сильно зависит от размера самого чувствительного элемента. Чем выше частота, тем меньше элемент. Следовательно, миниатюрные или малогабаритные ультразвуковые датчики имеют ограниченное применение, так как у них снижена дальность обнаружения уровня.

Другим параметром, который влияет на дальность обнаружения уровня, является температура окружающей среды. При высоких температурах усиливается затухание УЗ-излучения. Поэтому производители вносят в конструкцию датчиков обязательную температурную компенсацию, то есть с помощью запрограммированного микропроцессора датчик корректирует результаты измерения в зависимости от изменения температуры окружающей среды.

Влажность также влияет на дальность распространения акустической волны. Данный параметр вносит ограничения по применению УЗ-датчиков для контроля уровня жидкости, которая имеет сильное испарение. Наличие пара сказывается на качестве измерения, в некоторых случаях делает его в принципе невозможным.

Также нужно учитывать такой параметр окружающей среды, как давление. Чем больше избыточное давление, тем сложнее ультразвуку преодолевать воздушное пространство. Следовательно, процесс измерения уровня жидкости в резервуаре с помощью ультразвукового датчика, которая находится под избыточным давлением, становится затруднительным.

При вычислении уровня сыпучих материалов, пыль, присутствующая в воздухе, сильно затрудняет процесс измерения. При достаточно высоком уровне запыленности ультразвуковая волна может постоянно отражаться от пылевого облака, что сделает процесс измерения уровня невозможным.

Использование ультразвуковых датчиков для измерения уровня сыпучих материалов ограничено, потому что неровная поверхность сыпучих веществ, постоянная запыленность резервуара, большой диапазон измерений влияют на точность данных ультразвуковых приборов. Для измерения уровня сыпучих веществ лучше использовать волноводные преобразователи уровня или радарные уровнемеры сыпучих материалов.

Не стоит забывать про диапазон излучения. Чем датчик более низкочастотный, тем меньше проблем он имеет с затуханием излучения.

Необходимо принять во внимание особенности распространения ультразвуковых волн, связанных с чувствительным элементом. Это главный элемент датчика. От того, как качественно акустические волны переходят в воздух, определяется точность измерений.

Выпадение росы, скопление конденсата на чувствительном элементе сказывается на работе ультразвукового датчика. Если поверхность чувствительного элемента покрыта на 100%, то работа прибора невозможна. Поэтому даже при слабых испарениях, которые не являются большой помехой для ведения измерений, чувствительный элемент устройства, находящийся в воздухе, из-за разницы температур покрывается конденсатом. Следовательно, измерения становятся невозможными.

Периодически производители анонсируют УЗ-датчики со специальной конструкцией: чувствительный элемент расположен вертикально, что уменьшает вероятность накоплений конденсата на самом сенсоре. Излучение распространяется вертикально за счет акустического отражающего экрана. Такие приборы не пользуются популярностью у потребителей, так как они не решают проблему со скоплением конденсата на чувствительном элементе датчика на 100%, а стоимость их довольно высока.

Рекомендации при выборе ультразвуковых датчиков уровня

Наиболее правильно и целесообразно применять ультразвуковые датчики уровня там, где условия близки к идеальным.

Так, УЗ-датчики часто применяются на очистных сооружениях, сточных водах. Так как прибор работает бесконтактно, на уровнемере не образуются отложения. Следовательно, ложные срабатывания из-за свойств измеряемой среды отсутствуют.

Применение ультразвукового датчика при измерении уровня зерна целесообразно при хранении и не частой загрузке/отгрузке, когда пылеобразование не постоянное.

Измерение уровня сыпучих продуктов с помощью ультразвука оправдано в небольших емкостях и открытых контейнерах. При высоком пылеобразовании лучше обратить внимание на другой тип измерения сыпучих материалов, например, радарный.

Наличие мешалок также может повлиять на измерения уровня вещества. При движении лопасти, когда уровень находится на середине, датчик может сработать на лопасть (ложное срабатывание). В большинстве ультразвуковых датчиков заложены специальные программные алгоритмы, которые позволяют отслеживать/игнорировать помехи в виде случайных сигналов.

Пенообразование – серьезный ограничитель использования УЗ-датчика для определения уровня. Интенсивное пенообразование препятствует отражению ультразвуковых волн из-за высокой пористости среды. Большая часть энергии волны затухает во внутренних полостях вещества. Поэтому ультразвуковые датчики уровня не применяются в работе с такими веществами как молоко, пиво, газировка.

Датчик применяется для обнаружения уровня как сыпучих веществ, так и жидкостей, снабжен встроенным блоком индикации.

В настоящее время рынок автоматики наполнен разнообразием моделей и типов ультразвуковых датчиков, которые имеют различную конструкцию и работают в разных частотах. При выборе подходящего датчика важно определиться с назначением, особенностями его применения.

Таким образом, учитывая бесконтактный принцип работы, точность измерения, компактность, надежную конструкцию (не имеет подвижных частей, не нуждается в частом обслуживании) ультразвуковые датчики нашли применение практически во всех сферах автоматизации.

Применение ультразвуковых датчиков уровня – это экономически выгодное решение для простых условий эксплуатации, где влияние негативных факторов окружающей среды на точность измерения минимально.

Чтобы не ошибиться с выбором модели ультразвукового датчика уровня, обратитесь за консультацией к нашим техническим специалистам. Инженеры помогут подобрать устройство, которое будет соответствовать вашим требованиям.

Емкостные датчики

В современное время на предприятиях промышленности используется огромное количество различных специальных приборов и устройств. Они исполняют важные функции в технологических процессах. В зависимости от конкретного примера это позволяет ускорить, обезопасить, улучшить качество или управляемость процесса.

Одним из таких устройств является датчик емкостного типа. Он позволяет контролировать значение определенных технологических параметров за счет зависимости между величиной своего емкостного сопротивления и значением контролируемого параметра.

Конструкция и принцип работы

Основным элементом емкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика, при этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и еще многих параметров.

Емкость для плоского конденсатора вычисляется по следующей формуле: С = Ɛ×Ɛ0×S/d, где

• Ɛ – постоянное значение относительно диэлектрической проницаемости среды между пластинами;
• S – площадь пластин;
• d – расстояние между пластинами.

Датчики емкостного типа работают следующим образом:

• Для контроля объекта генерируется электрическое поле с помощью генератора;
• Специальное электронное устройство фиксирует изменения напряжения и амплитуды высокочастотных колебаний генератора;
• Электронный триггер выступает в роли компаратора для того, чтобы установить уровень сигнала для срабатывания устройства;
• Усилитель масштабирует выходной сигнал до необходимой величины;
• Срабатывание устройства отображается с помощью индикатора, в роли которого выступает светодиод. По этому индикатору можно отследить момент переключения и по нему произвести настройку чувствительности.
• Вся электроника устройства находится в компаунде. Это необходимы для защиты электроники от негативных внешних воздействий, например, грязь, вода и т.п.
• Весь датчик заключается в прочный корпус, который может быть изготовлен как из пластика, так и из латуни. Тем самым устройство защищается от механических воздействий.
• Чувствительная область датчика, которая взаимодействует с объектом контроля, образована с помощью электродов из металла. При этом электроды являются элементом обратной связи для генератора.
• Контролируемый объект входит в поле, что приводит к появлению колебаний на генераторе. Значение амплитуды этих колебаний зависит от близости объекта к датчику. Триггер срабатывает при достижении амплитуды колебаний заданного значения.