Каков принцип работы электромагнитных уровнемеров

К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Ниже рассмотрим основные виды электрических уровнемеров: емкостные уровнемеры, кондуктометрические (омические) уровнемеры и вибрационные уровнемеры, познакомимся с их различиями в работе и устройстве.

Мы подобрали популярные статьи о приборах для измерения уровня:  классификация уровнемеров, принцип действия уровнемеров и многое другое.

В данной статье рассмотрены общие понятия уровнеметрии и краткая характеристика групп приборов, использующихся для измерения уровня.

В данной статье кратко описаны общие понятия и принципы работы поплавковых уровнемеров, их виды и особенности

Данная статья рассматривает принцип действия буйковых уровнемеров, общую измерительную схему буйковых уровнемеров и общие характеристики уровнемеров.

В данной статье кратко характеризуется класс электрических уровнемеров, наибольшее распространение из которых получили емкостные уровнемеры и кондуктометрические (омические) уровнемеры.

В статье рассматривается ещё один тип уровнемеров – гидростатические уровнемеры, принцип действия которых основан на измерении гидростатического давления, оказываемого жидкостью.

В данной статье рассмотрен простейший тип уровнемеров – визуальные уровнемеры, в основе которых лежат указательные стёкла.

В данной статье рассмотрен специализированный измерительный прибор – метрошток, применяемый для оперативного определения уровня наполнения неглубоких емкостей, содержащих различные нефтепродукты или другие жидкости.

В данной статье рассмотрены ультразвуковые уровнемеры – это целый ряд приборов, также называемых «акустические уровнемеры». Они обеспечивают бесконтактное измерение уровня жидкости в различных емкостях.

В данной статье рассмотрены вибрационные сигнализаторы уровня и уровнемеры, принцип действия которых очень схож с камертонами.

В данной статье рассмотрены радарные, радиолокационные или микроволновые уровнемеры, появившиеся сравнительно недавно и, поэтому, имеющищие сразу три названия.

В данной статье рассмотрены радиоизотопные уровнемеры, широко распространенные в металлургии для измерения уровня жидкого металла.

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.

УРОВНЕМЕРЫ
ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ

• по
  принципу действия – на поплавковые
  и буйковые, электронные, давления,
  радиоизотопные, акустические,
  ультразвуковые и радиочастотные (так
  называемые танк-радары);
• по
  характеру измеряемой среды – на
  приборы для измерения уровня жидких
  сред, сыпучих тел или уровня раздела
  сред с различной плотностью или
  электропроводностью;
• по
  стойкости воздействия измеряемой среды
  – на приборы для измерения агрессивных
  или не агрессивных сред;
• по
  условиям работы – на приборы,
  рассчитанные либо не рассчитанные на
  работу в условиях вибрации, ударов,
  тряски, высокой температуры, влажности,
  воздействия микроорганизмов, запыленности
  и т. п.;
• по
  характеру выполняемых операций –
  на приборы для измерения, сигнализации
  или регулирования уровня.

• Поплавкковые
  и буйковые уровнемеры – уровнемеры,
  где чувствительным элементом является
  плавающий или полностью погруженный
  в измеряемую жидкость металлический
  (или какого либо другого типа) поплавок
  или буек. У поплавковых приборов принцип
  работы прибора основывается на следящем
  действии поплавка, плавающего на
  поверхности жидкости и перемещающегося
  вместе с ее уровнем. У буйковых
  уровнемеров принцип работы прибора
  основывается на законе Архимеда.
  Измерительным параметром является
  выталкивающая сила тонущего буйка,
  величина которой пропорциональна
  глубине его погружения в жидкость,
  при этом жидкость может находиться
  под атмосферным, избыточным или
  вакуумметрическим давлением.
• Электронные
  приборы измерения уровня – приборы,
  в основу измерения которых положен
  принцип изменения емкости, индуктивности
  или сопротивления от уровня жидкости.
• Уровнемеры
  давления – уровнемеры, использующие
  силу давления столба жидкости, которая
  зависит от уровня жидкости в емкости.
• Радиоизотопные
  приборы используют изменение
  интенсивности потока -излучения
  при прохождении его через измеряемую
  жидкость.
• Радиочастотные
  уровнемеры – приборы, построенные
  по принципу радаров, т.е. используется
  отражение электромагнитной волны от
  поверхности жидкости или раздела 2
  сред (с разной диэлектрической
  проницаемостью).

Рассмотрим утройство, принцип действия
электронных и радиочастотных уровнемеров,
относящихся к уровнемерам повышенной
сложности.

Уровнемер ВМ100 фирмы «KROHNE»
относится к радиочастотным уровнемерам.
Ниже на рисункедприведен внешний вид
уровнемера ВМ100, установленного на
емкости.

Опыт успешного применения радиолокационной
технологии для измерения уровня позволил
фирме Krohne разработать новый принцип
измерения уровня жидкости или раздела
сред без использования движущихся
частей. Одним из таких приборов является
Reflex Radar BM 100. Он может использоваться для
измерения уровня или раздела фаз для
всех жидких материалов и измерения
уровня сыпучих материалов, а также в
тех случаях, когда не могут быть
использованы традиционные методы
измерения.

Для автоматизации многих производственных процессов необходимо контролировать уровень воды в резервуаре, измерение проводится при помощи специального датчика, подающего сигнал, когда технологическая среда достигнет определенного уровня. Без уровнемеров невозможно обойтись и в быту, яркий пример этому – запорная арматура бачка унитаза или автоматика для отключения насоса скважины. Давайте рассмотрим различные виды датчиков уровня, их конструкцию и принцип работы. Эта информация будет полезной при выборе устройства под определенную задачу или изготовлении датчика своими руками.

Конструкция и принцип действия

Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:

• Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
• Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
• Методом измерения (контактный или бесконтактный).

Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело — измерять высоту питьевой воды в баке, другое — проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.

Виды датчиков уровня

В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:

• поплавочного типа;
• использующие ультразвуковые волны;
• устройства с емкостным принципом определения уровня;
• электродные;
• радарного типа;
• работающие по гидростатическому принципу.

Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.

Поплавковый

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:

• Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
• Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.

Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.

Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.

Ультразвуковой

Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

Работает система следующим образом:

• излучается ультразвуковой импульс;
• принимается отраженный сигнал;
• анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).

Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.

Электродный

Рисунок 4. Измерение уровня жидкости кондуктометрическими датчиками

В приведенном примере задействован трехуровневый сигнализатор, в котором два электрода контролируют заполнение емкости, а третий является аварийным, для включения режима интенсивной откачки.

Емкостной

При помощи этих сигнализаторов можно определять максимальное заполнение емкости, причем, в качестве технологической среды могут выступать как жидкость, так и сыпучие вещества смешанного состава (см. рис. 5).

Рис. 5. Емкостной датчик уровня

Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.

Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.

Радарный

Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.

Измерение уровня радарным датчиком

Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник ловит отраженный сигнал и по времени его задержки определяет наполняемость емкости. На измеряющий датчик не влияет давление, температура или характер технологической среды. Запыленность также не отражается на показаниях, чего не скажешь о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов данного типа, их погрешность составляет не более одного миллиметра.

Гидростатический

Рисунок 7. Измерение заполнения гиростатическим датчиком

Устройство построено по принципу измерения уровня давления, произведенного столбом жидкости. Приемлемая точность и небольшая стоимость сделали данный вид довольно популярным.

В рамках статьи мы не можем осмотреть все типы сигнализаторов, например, ротационно-флажковых, для определения сыпучих веществ (идет сигнал, когда лепесток вентилятора застрянет в сыпучей среде, предварительно вырыв приямок). Так же нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных измерителей, тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.

Как выбрать?

Выбор датчика уровня воды в резервуаре зависит от многих факторов, основные из них:

• Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
• Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
• Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
• Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
• Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
• Коммутационные возможности устройства.

Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.

Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками

Схема управления водозабоным насосом

Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня — на замыкание, максимального — на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:

• По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
• Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
• По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.

Технологические процессы в современном мире требуют частых замеров объема топливных материалов, заполнения водой и другими жидкими веществами. Для осуществления контроля за наполнением любой емкости жидкостью в автоматическом режиме применяется датчик уровня жидкости. В данной статье мы рассмотрим основные виды и принцип разделения уровнемеров.

Устройство и принцип действия

На сегодняшний день существует огромное количество датчиков уровня жидкости, которые отличаются как конструкцией, так и способом выполнения замера. В виду чего рассмотрим устройство на примере наиболее простой поплавковой модели уровнемера. Конструктивно поплавковый датчик уровня жидкости состоит из следующих компонентов:

Рис. 1. Устройство датчика уровня жидкости

• поплавок 1 – предназначен для взаимодействия с поверхностью жидкости;
• сильфон 2 – представляет собой чувствительный гофрированный элемент, способный сохранять свои свойства при многократных механических деформациях;
• фланец 3 – используется для соединения с монтажной поверхностью, позволяет увеличить плотность крепления
• микропереключатель 4 – срабатывает от перемещения поплавка в геометрической плоскости, для предотвращения взаимодействия с влагой помещается в герметичный корпус.
• прокладка 5 – используется для герметизации отверстия, предотвращает протекание жидкости из емкости.

Принцип действия такого датчика основывается на архимедовой силе любой жидкости.

Рис. 2. Принцип действия датчика уровня жидкости

При помещении датчика в емкость с жидкостью происходит взаимодействие поплавка с поверхностью. За счет архимедовой силы поплавок выталкивается наружу и находится в том же положении, что и уровень.

При среднем положении жидкости 1 поплавок останется в нейтральном положении, сигнал от переключателя не поступает на пульт управления или панель сигнализации. В случае наполнения резервуара до позиции 2 поплавок поднимется выше и переведет микропереключатель в соответствующее положение. Если жидкость в резервуаре опустится ниже номинального уровня, поплавок переместится в нижнюю позицию 3 и переведет контакты микропереключателя.  Каждый раз на выходе датчика будет появляться соответствующий сигнал о степени наполнения, однако принцип действия будет отличаться в зависимости от типа устройства.

Разновидности по типу

Существует широкий спектр критериев, по которым можно разделить датчики уровня. Начиная от принципа действия и, заканчивая, способом передачи сигнала. Однако все сенсоры условно можно подразделить на две большие группы – контактные и бесконтактные.

Контактные

Под контактным датчиком следует подразумевать такое устройство, которому для функционирования требуется физический контакт с измеряемой поверхностью. Как правило, такие датчики применяются в условиях воздействия факторов, которые существенно усложняют измерения – высокая температура или давление. Также их массово используют для работы с пенящимися жидкостями, где верхний слой может вносить ощутимую погрешность при измерениях другими методами. Все контактные приспособления можно разделить на такие виды по принципу действия:

Рис. 3. Емкостной датчик

Рис. 4. Гидростатический датчик

• Байпасные – используют принцип сообщающихся сосудов, в таких датчиках информация об уровне измеряемой жидкости отображается наиболее наглядно. При изменении высоты столба в основном резервуаре датчик отобразит эти данные на собственном уровнемере. Однако такие модели не используются в условиях более +250°С и в средах, повышающих собственную вязкость со снижением температуры.
• Магнитные – являются подвидом поплавковых датчиков, так как уровень жидкости измеряется поплавком, перемещающимся по герметично запаянной трубке. Внутри трубки располагается геркон, срабатывающий в случае приближения или удаления поплавка с магнитом.
• Рефлексные микроволновые – принцип действия таких датчиков основывается на технологии рефлектометрии в зависимости от временного промежутка. Направленный волновой излучатель посылает сигнал, а сенсор воспринимает скорость возвращения импульса.

Рис. 5. Рефлексный микроволновой датчик уровня жидкости

Основным недостатком этих моделей является необходимость погружения устройства по всей глубине, что не всегда удобно для больших резервуаров.  Но, в отличии от других датчиков уровня жидкости, рефлексные модели не зависят от наличия или отсутствия пены, твердых частиц, плавающих в толще или на поверхности, диэлектрической проницаемости.

Бесконтактные

Бесконтактные датчики представляют собой такие устройства, которым для функционирования не требуется осуществлять физический контакт с измеряемой поверхностью. Такие устройства применяются в агрессивных жидких средах, где возможен быстрый износ элементов сенсора из-за влияния активных компонентов. Также их устанавливают в тягучие жидкости и среды с большой вязкостью. Все бесконтактные датчики условно подразделяют на такие категории:

• Ультразвуковые — являются одним из наиболее распространенных типов бесконтактных датчиков уровня жидкости. Принцип действия основывается на  способности жидкости отражать ультразвуковой спектр излучения. Генератор ультразвука, неслышимого для человеческого уха, посылает сигнал от верхней точки к линии раздела сред. При столкновении с жидкостью сигнал отражается и возвращается к датчику, где он воспринимается сенсором. В зависимости от времени перемещения ультразвука делается заключение об уровне в резервуаре.
• Радарные микроволновые – аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что в качестве объекта измерения выступает не ультразвук, а микроволны.

Рис. 6. Радарный микроволновой датчик уровня жидкости

Существенным недостатком датчиков радарного типа является восприимчивость к газовым подушкам, которые могут скапливаться над поверхностью жидкости.

Рис. 7. Радиоизотопный датчик

В связи с опасностью воздействия на живые организмы является самым дорогим и наименее распространенным вариантом. При его использовании обязательно обеспечиваются дополнительные меры безопасности для обслуживающего персонала.

Разновидности по функционалу

Помимо отличий в отношении принципа взаимодействия с измеряемой средой и принципа действия датчики уровня жидкости могут отличаться и по способу передачи сигнала. Все устройства касательно принципа сигнализации об изменении положения уровня подразделяют на уровнемеры и сигнализаторы.

Под уровнемерами подразумеваются такие приборы, которые осуществляют постоянный контроль за текущим положением верхней кромки измеряемой среды. В виду чего они постоянно передают сигнал о проведенных измерениях или выдают данные по шкале. В зависимости от способа отображения информации они бывают цифровыми и аналоговыми.

Сигнализаторы, в отличии от уровнемеров, не производят постоянный контроль уровня жидкости, а срабатывают исключительно при достижении определенного порогового значения. В таких устройствах жидкость, опускаясь или поднимаясь, перемещает чувствительный элемент. Который в определенной позиции производит срабатывание реле, переключателя или микроконтроллера.

Какой выбрать?

При выборе конкретной модели датчика уровня следует обратить внимание на следующие характеристики:

• Тип переключателя – различают твердотельные и электромеханические. Первый тип не имеет подвижных элементов и не подвержен изнашиванию. Второй, наоборот, оснащается подвижными контактами, чувствительными элементами и т.д.
• Логика работы – различают датчики уровня с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами. Тот или иной тип выбирается в зависимости от схемы включения и поставленных задач контроля уровня.
• Количество полюсов и позиций – встречаются как однополюсные и двухполюсные датчики уровня, так и однопозиционные или двухпозиционные.

Рис. 8. Однополюсные, двухполюсные, однопозиционные, двухпозиционные

Использованная литература

электрических уровнемepax используются
электрические свойства среды –
электропроводность, диэлектрическая
проницаемость и др. С помощью первичного
измерительного преобразователя изменение
уровня преобразуется в электрический
сигнал, измеряемый электроизмерительным
прибором. Наиболее распространены
кондуктометрические, eмкостныe и
электролитические сигнализаторы.

Кондуктометрические
уровнемеpы.
Принцип действия основан на измерении
электрического сопротивления жидкости
или сыпучего материала с помощью
электродов (рис.2.9). Роль одного из
электродов может выполнять металлическая
стенкa емкости, которая заземляется.
Второй измерительный электрод должен
быть хорошо электрически изолирован
от стенки емкости. Чаще всего используются
сигнализаторы уровня. Они обеспечивают
сигнализацию уровня с погрешностью- +
5 мм, температура среды может достигать
200ºС.

Рис.
2.9.Принципиальная схема действия
кондуктометрического расходомера.

• датчики
  и арматуру можно без труда изготовить
  из материалов, отвечающих
  санитарно-гигиеническим нормам.
  Воздействие высоких температур
  (например, при выполнении процедуры
  «мойки на месте») не оказывает влияния
  на работу датчика;
• кондуктометрический
  метод измерения уровня отличается
  простотой и низкими затратами на его
  реализацию, является идеальным при
  регулировании по двум точкам (например,
  при управлении насосом).

• этот
  метод может использоваться для
  сигнализации уровня только токопроводящих
  жидкостей и реализуется только в
  предельных выключателях. Если датчик
  загрязняется непроводящим ток веществом,
  например, жиром или маслом, то цепь, по
  которой течет ток разрывается, и система
  перестает действовать;
• при
  измерении уровня продуктов, которые
  могут оседать на поверхности датчика,
  образуя, таким образом пленку, необходимо
  пользоваться модификацией уровнемера
  с низким сопротивлением;
• модифицированный
  уровнемер может «отличить» продукт от
  пленки продукта образовавшейся на
  датчике;
• обычно
  уровнемер используется в качестве
  сигнализаторов уровня пенящихся
  продуктов (молока, пива, карбонизированных
  напитков) и, чаще всего в тех случаях,
  когда датчики монтируются на боковых
  стенках резервуаров.

Eмкостныe
сигнализаторы проще eмкостных уровнемеров
и представля­ют собой eмкостныe реле,
срабатывающие при подходе уровня среды
к электроду.

Выпускается
большая номенклатура eмкостных уровнемеров
и сигнализаторов уровня для самых разных
условий эксплуатации и пределов
изме­рений. Распространены уровнемеpы
в пределах от 1 до 20 м, класс точности
2,5 и от 0,4 до 20 м, класс точности 0,5-2,5 с
унифицированным выходным сигналом 0-5,
0-20, 4-20 мА.

• емкостные
  уровнемеры широко используются в
  пищевой промышленности в качестве
  средства непрерывного измерения уровня
  жидкостей и сыпучих материалов или для
  коммутации средств регулирования;
• поскольку
  пищевой продукт контактирует только
  с металлическим стержнем или тросом,
  то проблемы санитарно-гигиенических
  норм легко решаются.

• измерение
  уровня продуктов с изменяющейся
  диэлектрической постоянной будет
  происходить с ошибками;
• в
  случае очень вязких продуктов может
  возникать эффект «обволакивания»
  датчика и, как следствие, возрасти
  погрешность измерения;
• при
  проведении измерений в негомогенных
  и пенящихся средах погрешность измерения
  может существенно возрасти;
• процедуру
  калибровки необходимо проводить «на
  месте».

Приемлемая
емкостная измерительная система должна
иметь достаточную чувствительность
для «обнаружения» продукта и формирования
соответствующего коммутационного или
аналогового сигнала и одновременно «не
реагировать» на эффект «обволакивания»
датчика. Этого можно достигнуть путем
правильного выбора монтажных приспособлений
датчика, площади активной области
датчика и расстояния от датчика до
стенки резервуара или других заземленных
конструкций. Обычно в системах непрерывного
измерения соблюдается следующая
зависимость: чем выше рабочая частота,
тем ниже сопротивление продукта и выше
значение тока генератора. При частотах
порядка 1 мГц величина тока, протекающего
через продукт, намного превышает ток
утечки, обусловленный эффектом
«обволакивания» (рис. 2.10).

Электролитические
сигнализаторы
уровня основаны на возникновении ЭДС
между двумя различными металлами,
погруженными в электролит. На этом
принципе построены сигнализаторы уровня
раздела двух сред.

Рис.
2.10. Принцип действия емкостного
уровнемера.

Кондуктометрические уровнемеры

Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два.

Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания

В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.

К самым распространенным моделям кондуктометрических уровнемеров относятся: РОС-301 регуляторы-сигнализаторы уровня кондуктометрические, СУ-300И сигнализаторы уровня кондуктометрические, САУ-М6 сигнализатор уровня жидкости.

Емкостные уровнемеры

Рис. 1. Ёмкостной уровнемер: 1, 2 – электроды; 3 – электронный блок

В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.

Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков – погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1).

При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.

Наиболее популярны следующие виды емкостных уровнемеров: ИСУ-100И уровнемеры емкостные одноканальные, РОС-101 (-102) сигнализаторы уровня емкостные, СУ-100 сигнализаторы уровня емкостные.

Вибрационные уровнемеры

Вибрационные уровнемеры отличаются надежностью и широкой областью применения. Конструкция и принцип действия данных устройств снижает до минимума их восприимчивость к химическим и физическим свойствам измеряемого вещества. Также вибрационные уровнемеры показывают точные результаты при турбулентности, наличии пузырьков воздуха в жидких средах, и прочих неблагоприятных условиях работы.

Для заказа доступны следующие вибрационные уровнемеры: СКАТ-5-С сигнализаторы уровня сыпучих материалов, СКАТ-5-Ж сигнализаторы уровня жидкости, СКАТ-5М сигнализаторы уровня жидкости малогабаритные.

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