Классификация сигнализаторов уровня

Устройство и принцип работы датчиков уровня

Датчики уровня — это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости. Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене. Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

По принципу действия датчики уровня могут быть

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах например в емкостных датчиках влажности.

Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 1), которая может свободно проникать в пространство между пластинами. Если известна диэлектрическая проницаемость жидкости, то можно составить следующее равенство:

С – Общая ёмкость конденсатора С0 – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость Сl – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость ε0 – Диэлектрическая проницаемость газовой среды εl – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды G0 – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость Gl – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.

Рисунок 1. Общая схема емкостного датчика уровня

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам следует отнести значительную температурную зависимость (которая, впрочем, может быть скомпенсирована), а также необходимость погружения в жидкость.

Поплавковый датчик уровня

Датчики данного типа имеют достаточно простое устройство. Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и непрерывный сигнал, последние можно разделить на две категории – механические и магнитострикционные. В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также используется поплавок, в остальном же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых датчиков.

Дискретные поплавковые датчики уровня

В реализации датчика, выдающего дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных на различных уровнях резервуара. При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх. Это приводит в движение механическую систему или электромеханическую систему, и выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 2).

Рисунок 2. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки или нет. Также датчик уровня с дискретным выходным сигналом может служить элементом автономного регулятора в случае, например, когда необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 3). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит. Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода. Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом. По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.

Рисунок 3. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. К их недостаткам можно отнести их стоимость, техническую сложность и необходимость погружения в жидкость.

Радарный датчик уровня

Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону. Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара согласно схеме (Рисунок 4) и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки. Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту. По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.

Дальнейшая обработка полученного сигнала осуществляется в цифровом тракте, и на этом этапе возможна, например, нейтрализация шумовых сигналов, возникающих в результате волнений на поверхности жидкости или поглощения радиоизлучения.

Рисунок 4. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа

Данный метод на сегодняшний день является наиболее технологичным и совершенным, к числу достоинств датчика на его основе следует отнести:

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в ультразвуковых расходомерах и ультразвуковых дефектоскопах ). Излучение генератора УВ проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник. Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.

Ультразвуковым датчикам уровня свойственны практически все достоинства датчиков радарного типа, однако УД обычно имеют более низкую точность, хотя и более просты по внутреннему устройству.

Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости (2) высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке ρ – Плотность жидкости g – Ускорение свободного падения h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Виды датчиков-уровнемеров для определения уровня жидкости в емкостях

Чтобы автоматизировать некоторые производственные процессы, требуется контроль уровня жидкости. Подобные измерения выполняются с применением специальных уровнемеров для емкостей, которые подают сигнал при достижении определенного уровня воды. Существует несколько типов этих приспособлений.

Конструктивные особенности и принцип работы

Конструкция измерителей уровня жидкости в резервуаре определяется такими характеристиками:

Кроме того, конструктивные особенности устройства определяют тип технологической среды. Например, уровнемеры в баках с питьевой водой отличаются от приспособлений, которые предназначены для измерения наполненности резервуаров с промышленными стоками.

Разновидности датчиков

Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:

Существуют и другие типы устройств, но они обладают специфичным назначением.

Правила выбора

Выбирать уровнемер для резервуаров необходимо с учетом большого количества факторов. Среди них:

Для выбора бытовых устройств важно учитывать объем емкости, схему управления и принцип срабатывания.

Популярные модели

Современный рынок предлагает много моделей сигнализаторов. Самые популярные из них:

Сложные модели целесообразно приобретать лишь для промышленного применения. Для бытовых целей подходят простейшие варианты уровнемеров.

Виды уровнемеров

Датчики уровня используются как контроллеры наполнения емкостей, резервуаров, баков, траншей, трубопроводов с жидкостями или сыпучими материалами. Используются не только для замеров уровня, но и в качестве концевых выключателей (предупреждают переполнение или работу в «сухом режиме»). В зависимости от типа контролируемого технологического процесса можно использовать традиционные уровнемеры, измеряющие количество вещества в емкости по всей площади, или узкопредельные, срабатывающие с большей точностью только на определенном участке.

Особенности уровнемеров

По функциональности устройства делятся на два типа: сигнализаторы, позволяющие отслеживать определенную точку заполнения (макс. или мин.) и уровнемеры, предназначенные для беспрерывного мониторинга. Сфера применения приборов определяется принципом их действия (в основе может быть акустика, оптика, гидростатика, электропроводность). Также они бывают контактные или бесконтактные.

Выбирая современные уровнемеры, учитывают цели, для которых будут проводиться измерения. Также принимают во внимание вид измеряемой жидкости – ее плотность, категорию опасности и прочие характеристики. Принцип действия уровнемера подбирается с учетом материала емкости. Приборы могут работать с аналоговым сигналом, в качестве реле или как радар.

При подборе обязательно учитывают санитарные нормы, устойчивость к механическим воздействиям, вибрациям, химикатам, возможность эксплуатации во взрывоопасной среде (в зависимости от особенностей проходящих техпроцессов).

Область использования уровнемеров

Контроль уровня жидкости или сухого вещества в резервуаре, емкости – необходимость для многих автоматизированных технологических процессов, а также в системе водопроводов, подачи жидкостей и так далее.

Это оборудование предназначено для измерений уровней твердых, жидких, сыпучих веществ, находящихся в открытых и закрытых резервуарах под давлением или без. Оно обеспечивает точность измерений вне зависимости от уровня загрязнения и состава среды.

Основные виды уровнемеров

Уровнемеры классифицируются по режимам деятельности на устройства для непрерывного измерения или для дискретного контроля. Также они разделяются по типу измеряемого продукта на оборудование, предназначенное для жидкостей (нефтепродуктов, воды, растворов, суспензий) и для сухих сыпучих элементов (гранул, порошков).

Приборы, предназначенные для контроля за уровнем жидкости, также классифицируются по принципу действия:

Преимущества гидростатических уровнемеров

Принцип действия гидростатического уровнемера основан на преобразовании значений давления столба жидкости в высоту этого столба по известной плотности среды. Для измерения гидростатического давления может использоваться манометр (датчик избыточного давления, подключенный на нижнем предельном уровне). Чаще всего применяются дифференциальные датчики давления, с помощью которых можно измерять уровень жидкости в агрегатах, работающих под давлением.

Эти модели могут использоваться для жидкостей с разным уровнем текучести, в том числе вязких, а также для паст. Также они подходят для контроля уровня в открытых резервуарах и для определения уровня раздела жидкости.

Ключевыми преимуществами таких устройств считаются:

Эти устройства относятся к контактным, то есть они не зависимы от состояния поверхности жидкости в емкости.

Компания «Измеркон» предлагает гидростатические и емкостные уровнемеры (в том числе автономного типа) для разных типов емкостей, используемых на промышленных предприятиях общего или специального назначения. Предлагаем датчики малых габаритов для контроля стандартных, вязких или агрессивных жидкостей, в обычном, химостойком или взрывозащищенном исполнении.

Уровнеметрия. Классификация приборов для измерения уровня

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.

Классификация датчиков уровня жидкостей и сыпучих тел по принципу действия и области применения.

Измерение уровня — это определение расстояния между двумя параллельными плоскостями, одна из которых принята за начало отсчета, а другая является плоскостью раздела двух сред различной плотности. Зная площадь плоскостей и плотность вещества, можно по величине уровня определить объем и массу измеряемого вещества. Поэтому задача измерения уровня воды, корма, навоза, зерна и т.д. является одной из наиболее распространенных в системах автоматизации различных сельскохозяйственных процессов.

Уровень измеряется линейными мерами длины (метр, сантиметр, миллиметр).

Измерительные приборы можно разделить на две группы: уровнемеры и сигнализаторы уровня. Уровнемерыпоказывают уровень среды в сосуде по всей высоте диапазона измерения. Иногда они имеют устройства для сигнализации в контрольных точках.Сигнализаторы уровняконтролируют только отдельные точки уровня среды.

По характеру измеряемой среды их разделяют на приборы для измерения уровня жидкостей с различной плотностью и сыпучих веществ.

Для измерения уровня применяются различные методы, которые можно объединить в следующие группы:

оптические методы, основанные на взаимодействии света и измеряемой среды (визуальный, фотоэлектрический и др.);

универсальный метод, основанный на различии плотности веществ, образующих границу раздела двух сред (поплавковый, буйковый, гидростатический и радиоизотопный);

электрические методы основаны на использовании различных электрических свойств измеряемых веществ (индуктивные, емкостные, кондуктометрические);

механические для измерения сыпучих сред (мембранные, маятниковые, лотковые, с гибким щупом, вращающимся телом и т.д.).

ействиепоплавковых уровнемеровосновано на принципе использования выталкивающей силы жидкости. Основные элементы таких устройств: поплавок, передаточный механизм и отсчетное устройство.

Плавающий на поверхности жидкости поплавок является чувствительным элементом для измерения уровня. Подъемная сила поплавка зависит от его объема и плотности жидкости. Передаточные механизмы могут быть гибкими (трос, лента, нить), жесткими (рычаг, рейка) или магнитными.

Отсчетные устройства могут быть визуальными (шкала, циферблат) или с дистанционной передачей информации с помощью соответствующего электромеханического преобразователя перемещения в электрический сигнал (потенциометрического, индуктивного или контактного).

Последнее время широкое распространение получили поплавковые датчики со встроенными контактами. Они представляют собой герметичные резиновые или пластмассовые цилиндры со встроенным релейным устройством (бесконтактным – 4.39а, с микровыключателем – 4.39б и с ртутным контактом – 4.39в), которое срабатывает, если поплавок всплывает в жидкости (правая часть рис. 4.39). Такие датчики можно располагать на разных уровнях в различных емкостях, тем самым обеспечивая сигнализацию достижения уровня жидкости заданных точек.

Гидростатические уровнемерыопределяют давление столба жидкости в сосуде. По разности давлений на дне сосуда и на поверхности жидкости определяется ее уровень . В качестве чувствительного элемента гидростатического уровнемера может быть использован любой датчик давления или дифманометр.

Электрические методыоснованы на использовании электропроводности или диэлектрической проницаемости жидкости. В отличие от твердых тел для жидкостей характерно разделение только на проводники и диэлектрики. Негорючие жидкости, с которыми приходится иметь дело в сельскохозяйственной практике, обычно, из-за наличия кислот, солей и оснований обладают значительной электропроводностью. При соприкосновении проводящей жидкости с проводником (электродом) происходит скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи между ним и уровнем жидкости от бесконечности до конечной величины. Этот «релейный эффект» лежит в основе принципа действия широко применяемыхконтактныхиликондуктометрическихсигнализаторов уровня. Их первичные преобразователи представляют собой электрически изолированные от корпуса сосуда стержни (электроды), установленные в сосуде на определенном уровне.

Основной недостаток электродных датчиков уровня состоит в том, что между электродами в воде неизбежно протекает электрический ток. Из-за растворенных в воде солей происходят электрохимические реакции, продукты которых оседают на электродах в виде некоторой «накипи», в результате чего, через некоторое время, контакты перестают работать. Поэтому подобные датчики уровня воды нуждаются в периодической очистке, что усложняет процесс их эксплуатации и снижает надежность работы.

Кроме того, у электродных датчиков возможны ложные срабатывания при образовании льда на поверхности резервуара с водой в зимних условиях.

Лучшими эксплуатационными качествами обладают емкостные датчики уровня.

Принцип действия емкостных уровнемеровоснован на том, что диэлектрическая проницаемость различных веществ отличается от диэлектрической проницаемости воздуха или водных паров. Первичный информационный преобразователь емкостного уровнемера представляет собой изолированные электроды, погруженные в измеряемую среду. Если корпус сосуда металлический, то достаточно одного электрода.

Электроды (электрод и корпус сосуда) образуют цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется при колебаниях уровня жидкости. Величина емкости этого конденсатора измеряется электронным блоком, который передает сигнал далее. Электроды емкостного уровнемера могут быть стержневые, кабельные или пластинчатые.

Определение уровня сыпучих тел — более сложная задача, чем контроль уровня жидкостей. Сыпучие материалы при заполнении сосудов не имеют горизонтальной поверхности, а образуют откосы, усложняющие измерения. Давление сыпучих сред на дно и стенки сосудов не пропорционально высоте загрузки, то есть закон Паскаля на них не распространяется. Большинство сыпучих материалов при хранении теряет сыпучесть — слеживается. Пыль сыпучих материалов часто оказывается взрывоопасной.

Датчики уровня сыпучих материалов можно разделить по принципу действия на три группы:

механического воздействия, в которых сигнал, пропорциональный уровню вещества, вырабатывается в результате давления материала на чувствительный элемент датчика;

емкостные, в которых под воздействием вещества и (диэлектрика) изменяется электрическая емкость чувствительного элемента (конденсатора);

временные, основанные на измерении времени прохождения ультразвукового или электроэлектромагнитного импульса.

Сигнализаторы уровня производства НПК «ТЕКО». Критерии выбора и рекомендации по применению

Растущий спрос на современные автоматизированные системы контроля технологических процессов создает потребность в точных и надежных устройствах для измерения уровня. Использование датчиков уровня позволяет повысить стабильность техпроцессов и качество готовых продуктов, снизить цену изделия и количество отходов. Но как правильно выбрать датчик уровня, оптимально подходящий для решения клиентской задачи? Изложенный в статье материал позволит сориентироваться во множестве устройств, построенных на основе порядка 20 измерительных принципов. Акцент сделан на емкостные и магниточувствительные поплавковые измерительные методы, выбранные фирмой «ТЕКО» для разработки базовых и заказных исполнений датчиков.

Введение

Уровнем называют высоту заполнения технологической емкости или открытого бассейна материалом рабочей среды процесса — жидкостью или сыпучим материалом.

Информация об уровне необходима для управления технологическими процессами и предотвращения аварийных ситуаций. Путем нехитрых математических операций значение параметра уровня можно легко преобразовать в объемные и весовые параметры жидкостей и сыпучих материалов, хранящихся в силосах, бункерах, резервуарах, цистернах и т. д. в каждый момент времени. Информация об уровне, полученная в течение определенного отрезка времени, дает информацию о расходе продукта.

Измерение уровня используется в самых разнообразных отраслях промышленности: сельском хозяйстве, нефтехимической отрасли, горно-обогатительной и металлургической отраслях, производстве строительных материалов, пищевой промышленности, машиностроении, деревообработке, фармацевтике, жилищно-коммунальном хозяйстве, производстве и распределении воды, тепловой и электрической энергии и др.

Задачи измерения уровня жидких и сухих веществ в современных системах автоматизации технологических процессов в настоящее время обыденны и привычны, но, тем не менее, актуальны, поскольку современные системы управления являются микропроцессорными и требуют все более интеллектуальных и точных электронных датчиков уровня, служащих основным измерительным средством. Различают датчики уровня для сигнализации достижения предельных или заданных значений уровня рабочей среды — датчики предельного уровня или сигнализаторы уровня, а также датчики для непрерывного измерения уровня — уровнемеры или преобразователи уровня. Первый тип устройств обычно характеризуется цифровым логическим выходом, выход уровнемеров может быть аналоговым или цифровым.

Цифровой или ШИМ-сигнал более предпочтителен, чем аналоговый, который чувствителен к шумам. Цифровые сигналы могут быть переданы посредством разнообразных протоколов: проводных (RS-232 Hart, Honeywell DE, Profibus) и беспроводных. В настоящее время технологии передачи сигналов от промышленных датчиков бурно развиваются, и при развертывании сенсорной сети предприятия соответствующие возможности подключения открываются и для датчиков уровня. Выбор того или иного интерфейса зависит от решаемой задачи и от требований совместимости с системой управления. Имеется много других критериев выбора для совместимости с системой — физический интерфейс, опции монтажа, интерфейс питания. Но самый главный вопрос при решении задач измерения уровня, на который необходимо ответить специалистам, состоит в следующем: совместим ли физический принцип работы датчика с решаемой задачей измерения? Поэтому вначале рассмотрим принципы работы и очертим границы применимости датчиков уровня, использующих различные физические принципы измерения.