Датчики уровня воды в баке: виды контроля, электронный указатель и другие контроллеры, выбор регулятора

Описание и принцип работы

Датчик уровня воды в баке и других емкостях используется в системах управления, организованных для автоматизации ряда производственных процессов. Когда регулируемая жидкая среда достигает определенного уровня, такой датчик сигнализирует об этом, и система управления определенным образом реагирует на этот сигнал. Уровнемеры используются и в быту, например, в запорной арматуре унитазов или в системах, отключающих скважинный насос.

Конструктивные особенности датчиков характеризуются рядом общих параметров.

1. По функциональному признаку они делятся на сигнальные устройства и уровнемеры. Сигнальное оборудование контролирует конкретную отметку наполнения бака (самую высокую или самую низкую). Уровнемеры осуществляют непрерывный контроль уровня технологической среды.
2. Эти изделия бывают разными, и принцип их действия может быть основан на законах гидростатики, свойствах электропроводности, магнетизма, оптики, акустики и так далее. В то же время это и основной параметр, определяющий сферу их применения.
3. Метод измерения может быть контактным или бесконтактным.
4. Основные конструктивные особенности датчиков определяются характеристиками технологических сред, в которых они используются.

Какой выбрать?

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

• Тип переключателя – различают твердотельный и электромеханический. Первый тип не имеет движущихся частей и не подвержен износу. Второй, наоборот, снабжен подвижными контактами, чувствительными элементами и так далее
• Логика работы — есть датчики уровня с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами. Тот или иной тип выбирается в зависимости от схемы обмена и уровня задач управления.
• Количество постов и позиций – бывают как однополюсные, так и двухполюсные датчики уровня, а также однопозиционные или двухпозиционные датчики.

Рис. 8. Одинарный стержень, двойной стержень, однопозиционный, двухпозиционный

• Диапазон измерения – определяет допустимые пределы уровня, которые может обнаружить датчик.

Механические поплавковые датчики

Легкий поплавок, постоянный на поверхности жидкости в баке, соединен системой механических рычагов со средним выводом потенциометра, являющегося плечом моста сопротивления. При минимальном количестве жидкости в баке мост считается сбалансированным. В измерительной диагонали нет напряжения.

Когда бак заполнен, поплавок контролирует положение уровня жидкости, перемещая подвижный контакт потенциометра через систему рычагов. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Напряжение, отображаемое на измерительной диагонали, используется электронной схемой системы отображения. Его аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в данный конкретный момент времени.

Как измеряется уровень

Существует несколько методов измерения. Все зависит от свойств жидкости в баке:

• Проконсультируйтесь. В этом случае датчик уровня взаимодействует непосредственно с водой в баке.
• Бесконтактный. Отсутствие прямого контакта с жидкостью. Приборы этого типа используются для измерения уровня вязкой или агрессивной среды.

Контактные счетчики устанавливаются в самом контейнере: на поверхности (поплавковые), в глубине (гидростатические пробомерные) или монтируются на стене (пластинчатые). Бесконтактные датчики уровня жидкости не должны соприкасаться с водой, поэтому их размещают таким образом, чтобы можно было «наблюдать» за поверхностью среды.

Поплавковые измерители

Наиболее распространены, в то же время надежные и доступные измерительные приборы, выполненные в виде поплавка (более известного как пульт). В зависимости от конструкции они бывают вертикальными и горизонтальными.

Вертикальный поплавковый датчик для измерения уровня воды называется так потому, что шток расположен вертикально. В его случае это круглый магнит. Стержень представляет собой полую пластиковую трубку с герконами внутри.

Флотационные устройства располагаются на поверхности измеряемой воды. При приближении магнитного поля к геркону контакты датчика срабатывают — это сигнал о том, что емкость заполнена до заданного объема. Контактные пары могут быть соединены последовательно друг с другом с помощью резисторов. Это даст возможность следить за уровнем жидкости, исходя из общего сопротивления контура. Стандартный параметр сигнала в этом случае составляет 4–20 мА. Датчики уровня воды жидкостного типа обычно используются в резервуарах длиной до 3 м.

Хотя счетчики визуально похожи, они могут иметь разные электрические схемы с герконами. Датчики размещаются на разных уровнях контейнера для получения сигнала о его наполнении. Существуют линейные устройства, передающие сигнал непрерывно.

Поверхностный монтаж не всегда возможен. В таких ситуациях для измерения уровня жидкости используются поплавковые датчики, но в горизонтальном положении, которые крепятся на стене. Магнит и поплавок расположены на рычаге с шарниром, а геркон «спрятан» в корпусе. При повышении уровня жидкости магнит начинает действовать и приближается к контактам, вызывая срабатывание датчика.

Если жидкость загрязнена или подвержена замерзанию, используются «усиленные» расходомеры на гибком кабеле. Конструкция: герметичная емкость, размещенная на глубине, в ней находится кулисный переключатель или металлический шар с герконом. При совпадении уровня жидкости с положением датчика емкость переворачивается и одновременно срабатывает контакт.

Наиболее точными и надежными поплавковыми устройствами являются магнитострикционные. Они снабжены поплавком и магнитом, который скользит по металлическому стержню. Принцип работы заключается в изменении продолжительности прохождения ультразвукового импульса через стержень. Поскольку в конструкции отсутствуют электрические контакты, ультразвуковой датчик уровня работает более четко.

Емкостные

Емкостной датчик уровня жидкости представляет собой пластины, расположенные по обеим сторонам резервуара. Этот тип сигнального оборудования может определять максимальный уровень заполнения. В качестве технологической среды выступает вода или сыпучие, смешанные вещества.

Емкостной измеритель работает так же, как конденсатор: измеряется емкость между пластинами. Когда вода в баке достигает порога, на контроллер поступает сигнал. Также может быть использован «сухой контакт» — датчик срабатывает через стенку бака, и изолирован от рабочей среды.

Емкостные уровнемеры работают в разных диапазонах температур, работают даже на больших расстояниях и не подвержены влиянию электромагнитных полей. Благодаря этим свойствам расширяется область применения. Это означает, что датчик можно использовать даже в сложных условиях.

Электродные

Эти датчики используются для проверки уровня электропроводящих жидкостей. Принцип работы: с помощью переменного напряжения отслеживается изменение сопротивления воды между погруженными однополярными электродами.

Конструкция датчика: один маленький и два длинных электрода закреплены в распределительной коробке. Самые маленькие – это соединение с верхним уровнем воды, длинные – с нижним. Электродный датчик уровня подключается проводами к реле и цепи насоса.

Когда вода вступает в контакт с малым электродом, насос отключается. И включается при снижении уровня до длинных электродов.

В зависимости от конструкции бывают:

• Одиночный стержень. Применяются в ситуациях, когда емкость, емкость или цистерна для хранения рабочей среды имеют токопроводящие стенки. Роль стены – управляющий электрод. Такие блоки контролируют одно значение уровня.
• Мульти стержень. Их конструкция имеет несколько электродов, что позволяет отслеживать несколько контрольных точек.

Если стенки бака непроводящие, применяют уровнемер с дополнительным контрольным электродом. Контакты на устройстве, помещенном в воду, могут окислиться. Чтобы уменьшить это воздействие, используются стержни из нержавеющей стали или графита.

Гидростатические

Принцип работы этих уровнемеров заключается в измерении давления или перепада давления в жидкости. В рабочей среде действует гидростатическое давление, и оно меняется в зависимости от погружения. Одна мембрана устройства размещается на баке, а другая — вместо избыточного давления (закрытый бак) или при атмосферном подводе (открытый). Гидростатический датчик подходит для контроля уровня вязких жидкостей. При этом чувствительный элемент прибора находится в контакте с измеряемой средой.

Существует два типа конструкции:

• Погружной датчик давления. Он выглядит как два блока, соединенных компенсационным кабелем. Погружной зонд действует как измерительный прибор. Такой датчик уровня воды используется в колодце, колодце, пруду и других открытых источниках. Материалы изготовления: корпус — полимер или сталь, диафрагма — сталь или керамика. Компенсационный кабель содержит трубку эталонного давления из тефлона, полиуретана или ПВХ.
• Датчик давления разреза. Устанавливается на стенку резервуара в горизонтальном положении. Различают контактные и бесконтактные датчики уровня жидкости с открытой торцевой мембраной.

Погружные устройства основаны на измерении гидростатического давления. С помощью этого метода определяют высоту водяного столба в зависимости от давления, действующего на стенки или дно сосуда.

Гидростатический уровнемер применяют при необходимости измерения столба жидкости глубиной до 250 м. Есть приборы со специальной конструкцией – для глубоководных измерений.

Радарные

Универсальное сигнальное оборудование, используемое для измерения уровня всех технических сред. Жидкость может быть агрессивной и взрывоопасной, при этом на индикаторах не отражается ни давление, ни температура.

Принцип работы не сложен. Датчик излучает узкополосные радиоволны (несколько ГГц), после чего приемник улавливает сигнал и по времени задержки определяет, насколько заполнен контейнер. Давление, температура и свойства жидкости не влияют на расходомер. То же самое относится и к пыли. Радарные датчики являются высокоточными приборами с погрешностью не более 1 мм.

На сегодняшний день это один из технологичных и передовых методов измерения, что видно из его преимуществ:

• нет движущихся частей;
• бесконтактный метод измерения;
• универсальный (практически для любой среды вне зависимости от условий);
• высокая точность.

Но стоят такие уровнемеры недешево.

Ультразвуковые

Ультразвуковой датчик уровня жидкости работает по методу обратного сигнала, подобно радару. Он установлен в верхней части бака, параллельно поверхности рабочей среды. Устройство отправляет и получает импульсы, которые измеряют продолжительность сигнала. Дальнейший расчет параметров осуществляется на основе полученных данных.

Ультразвуковые приборы используются для контроля уровня воды в производственных условиях, где установлены большие резервуары. С их помощью внешне определяется точное количество нечистот и сточных вод. Когда жидкость достигает максимального уровня, устройство сигнализирует о проблеме через SMS, GSM или GPS.

Предназначен для работы с водой и другими жидкостями. Они не смогут измерить уровень твердых веществ. Для более точной работы прибора требуется компенсация внешних воздействий (ветер, вода с пенным слоем).

Кондуктометрические

Кондуктометрические датчики предназначены для измерения уровня электропроводной жидкости с проводимостью более 0,2 См/м. Речь идет о питьевой и технической воде, слабых щелочных растворах, кислотах, сточных водах и питьевых жидкостях (квас, пиво).

Принцип их работы: жидкость, достигшая определенного уровня, приводит к короткому замыканию электрода датчика на корпусе емкости или электрода самого счетчика. В результате в цепи датчика возникает электрический ток. Из-за замыкания цепи срабатывает реле, которое управляет цепью.

Кондуктометрический датчик уровня способен работать при температуре рабочей среды до +350 градусов Цельсия и давлении не более 6,3 МПа, все зависит от того, из какого материала изготовлен изолятор электрода. Эти измерители управляют одним или несколькими уровнями (одно- или многоэлектродными). Их принцип сводится к тому, что жидкость имеет иную электропроводность, чем воздух, к которому присоединяются электроды.

Самый простой тип такого датчика — электроды из нержавеющей стали, один из которых помещается в емкость, контактирующую с жидкостью, а другие используются как сигнальные.

Оптические

Эти датчики используют видимый инфракрасный или лазерный свет для определения уровня жидкости. В основе их работы лежит то, что измеряемое вещество пропускает, отражает и преломляет световые лучи.

Различают контактные и бесконтактные устройства. Бесконтактные системы работают так: свет направляется на поверхность жидкости, а отраженные лучи улавливаются фотоэлементом. Если система состоит из нескольких фотоэлементов, это позволяет обнаруживать рабочую среду на разных уровнях. Оптические приборы популярны из-за их высокой точности и почти мгновенного отклика.

Они обнаруживают высокие уровни пены или определенных материалов. Они также позволяют определить, достигла ли наблюдаемая среда необходимого уровня вязкости, плотности, прозрачности или теплопроводности.

Принцип работы (действия) гидростатического уровнемера

Погружной скважинный датчик уровня измеряет гидростатическое давление. Этот метод позволяет определить высоту столба жидкости в зависимости от того, какое давление действует на боковые стенки сосуда или на дно. В соответствии с законом Паскаля гидростатическое давление зависит только от высоты столба и плотности жидкости, а форма и общий объем резервуара никак не влияют на эту величину.

Поэтому есть возможность стационарно закрепить датчик на боковой поверхности резервуара (или использовать погружную модель, где датчик давления размещается непосредственно в контролируемой среде на определенной глубине). Соответственно прибор помогает измерить давление, а затем перевести это значение в объем.

Принцип измерения одинаков для всех уровнемеров, независимо от того, какая конструкция выбрана — фланцевая, погружная или желобковая. Важно помнить, что они могут измерять только жидкости с постоянной плотностью.

Важен и тип мембраны: открытую можно использовать только там, где в жидкости нет крупных включений, способных нанести ущерб. Экранирующую мембрану можно использовать для сильно загрязненных сред, но возможные включения должны быть больше, чем размер технологического отверстия. В противном случае мембрану необходимо часто чистить, и она может быть повреждена механическим воздействием.

ДС универсальные кондуктометрические датчики уровня

Датчики уровня кондуктометрического типа предназначены для сигнализации уровней электропроводящих жидкостей (вода, молоко, пищевые продукты — слабокислые, щелочные и др.). Принцип работы датчиков основан на изменении электропроводности между общим и сигнальным электродами в зависимости от уровня сигнализируемой жидкости.

Модификации кондуктометрических датчиков уровня ОВЕН ДС

Кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС изготавливаются для работы при различных давлениях и температурах.

Исполнения и основные параметры кондуктометрических датчиков уровня ОВН ДС

Достоинства емкостных датчиков

К преимуществам емкостных датчиков уровня относятся:

1. Возможность работы с резервуарами практически любой формы и размера;
2. Возможность работы в условиях с высокой температурой измеряемой среды, при высоком избыточном давлении внутри бака и в условиях с высокой запыленностью;
3. Возможность работы с сыпучими и жидкими средами, в том числе с агрессивными жидкостями;
4. Возможность проверки уровня без вставки в бак (речь идет о сигнальном оборудовании типа FLEXI FLD-32 «NEW MEDUZA»),
5. Простота установки и обслуживания;
6. Высокая надежность.

Обзор видов

По принципу действия сигнализаторы делятся на виды:

• плавать;
• уЗИ;
• устройства, работающие по емкостному принципу;
• электрод;
• радар;
• используя принципы гидростатики.

Поплавковые клапаны наиболее просты по конструкции, работают они как обычный клапан, автоматизация здесь минимальна. Собственно, это и обеспечивает их надежность. В конструкцию входят поплавок с магнитом и два геркона, которые устанавливаются на определенных уровнях управления. Как это работает, вкратце:

• при полном опорожнении бака поплавок опускается до уровня нижнего геркона, что приводит к срабатыванию специального реле, питающего насос, и вода из колодца начинает перекачиваться в бак;
• вода подходит к верхнему контролируемому уровню, поплавок подходит к верхнему геркону и включает его, срабатывает;
• геркон выключает реле, после чего насос завершает процесс наполнения бака водой.

Поплавковые выключатели доступны в различных исполнениях и просты в настройке.

Ультразвуковые датчики-измерители, используемые как для жидких, так и для сухих сред, доступны как в аналоговом, так и в дискретном исполнении. Другими словами, они могут прекратить заправку контейнеров при достижении определенной отметки, а могут постоянно следить за процессом. Изделие содержит источник ультразвука, приемник и специальный контроллер, обрабатывающий сигнал.

Вот как работает система:

• появляется ультразвуковой импульс, который принимается приемником;
• анализируется продолжительность затухания сигнала — при полном баке затухание будет коротким, но по мере снижения уровня воды оно будет увеличиваться.

Этот тип сигнального оборудования является бесконтактным, беспроводным, поэтому может использоваться в агрессивной или взрывоопасной среде. После первого и правильного устранения неполадок такое устройство не будет требовать специального ухода, а отсутствие в конструкции подвижных элементов значительно увеличивает срок его службы.

Электродные, или кондуктометрические приборы, предназначены для контроля одного или нескольких уровней электропроводящих сред. Примером может служить трехуровневое электронное устройство, где два электрода контролируют процесс наполнения бака, а третий является аварийным на случай экстренной откачки жидкости.

Емкостные – приборы, предназначенные для определения максимального уровня наполнения цистерн. Применяется в жидких и сыпучих средах. Принцип работы прибора аналогичен работе конденсатора — измерение емкости между специальными чувствительными пластинами. Когда громкость достигает критического уровня, на контроллер подается импульс. В некоторых исполнениях используется вариант «сухого контакта», т.е устройство срабатывает через стенку сосуда, вне досягаемости технологической среды.

Эти устройства работают в больших диапазонах температур, на них не действует электромагнитное поле, а процесс срабатывания возможен на значительных расстояниях. Такие параметры устройств значительно расширяют область их применения вплоть до экстремальных условий эксплуатации.

Радар – универсальные датчики, работающие с любой средой, в том числе агрессивной и взрывоопасной, вне зависимости от степени давления и температурного режима. В основе устройства передатчик радиоволн и приемник, принимающий отраженный сигнал. Время задержки определяет степень наполнения контейнера. На работоспособность устройства не влияет даже степень запыленности окружающей среды (в отличие от лазерных датчиков). Погрешность прибора не превышает 1 мм.

Гидростатические устройства измеряют как максимальную степень наполнения бака, так и его текущий уровень. Устройство работает по принципу измерения степени давления, создаваемого соответствующим столбом жидкости. Дешевизна прибора и небольшая погрешность в показаниях сделали его очень популярным в отрасли.

Среди множества типов подобных приборов отметим также счетчики с вращающимся флагом и радиоизотопы, которые нашли свое применение как для сыпучих, так и для жидких сред.

Оптические датчики уровня жидкости

Оптические переключатели уровня также довольно дороги. Это датчики с дискретным выходом. Принцип их работы основан на свойствах жидкости пропускать или преломлять свет. Это может быть как видимая область излучения, так и невидимая (например, инфракрасная).

Конструкция датчика может быть разной. Но в любом случае у него есть передатчик и приемник световых волн.

Когда между передатчиком и приемником появляется жидкость, приемник перестает «видеть» свет от передатчика, и датчик срабатывает (то есть излучает сигнал).

Лучшие модели

Перейдем к примерам самых надежных и точных приборов.

• DE-1 — пример емкостного датчика для агрессивных сред в металлургии и химии. Контролирует параметры температуры и уровня для сыпучих и жидких сред. Надежность устройства позволяет использовать его в конструкциях, обеспечивающих аварийную защиту.

• ЭСУ-1 представляет собой датчик уровня, корпус которого выполнен из стали. Подавляющее большинство таких устройств используется для контроля агрессивных и взрывоопасных сред. В этом случае источник энергии вынесен за пределы самого устройства. Прибор способен определять уровень нефтепродуктов и спиртов.

• РУ-305 — реле (регулятор) степени наполнения емкостей жидкими средами. Корпусная часть изготовлена ​​из специального материала, выдерживающего значительные перепады температур (от -50 до +50 °С). Датчик запрещен к использованию в активных химических средах. Недостатком устройства является возможность работы исключительно в определенном положении (без наклонов). Измерения выполняются путем перемещения магнита с поплавком и его взаимодействия с герконами.

• СУ-100 – этот прибор контролирует уровень сухой и жидкой консистенции. В основе конструкции электромагнитное реле.

• Rosemount 5600 — это аксессуар для радара, который можно измерять в любой среде. Требует правильной установки, что обеспечивает высокую точность измерений. Однако на степень точности показаний может отрицательно повлиять воздействие электромагнитных полей. Корпус изделия взрывозащищенный, оснащен специальным экраном, на котором отображаются контролируемые параметры. Прибор можно использовать для измерения температуры в контейнерах. Нуждается в очень умелой регулировке, при которой учитывается диаметр труб, длина прибора и расстояние между уровнем и реперной отметкой.

Понятно, что сложные (со светодиодной индикацией, с другими индикаторами, для теплой среды) приборы целесообразнее покупать для промышленности. Для домашнего использования вполне подходят простые конструкции датчиков.

Советы по выбору

Выбор уровнемера для воды зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются:

• состав жидкости и посторонние включения изменяют параметры плотности и электропроводности раствора, что приводит к искажению измеряемых параметров;
• следует учитывать объем емкостей и характеристики материалов, из которых они изготовлены;
• особенности функционального назначения резервуара для хранения жидкости;
• разрешение и возможность интеграции в схему с автоматизированной системой управления;
• переключать функции на единицы.

Приведенный выше список возможных критериев выбора устройства далеко не исчерпывающий. Конечно, при выборе бытовых устройств можно ограничиться объемом емкостей, типом работы и функциями схемы управления.

Сравнительный анализ различных методов измерения уровня

Кондуктивные датчики уровня

Кондуктивные (кондуктометрические) датчики уровня применяются для контроля (сигнализации) предельного уровня электропроводящих жидкостей и сыпучих материалов с уровнем проводимости 0,1 мкСм/см. К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, водные растворы солей, вода, молоко и др. простейший кондуктометрический датчик уровня состоит из двух электродов (один из них может быть стенкой бака), между которыми измеряется сопротивление. Но этот метод требует заземления металлической емкости.

Также часто используются щупы с двумя электродами и электрической схемой подачи напряжения, но они годятся только для определения уровня в определенных точках или на границе раздела проводящих и непроводящих сред, где выходной переключатель срабатывает при достижении установленного значения сопротивления/проводимости. На практике кондуктивные датчики могут быть оснащены от двух до пяти электродов для подачи сигналов от двух до пяти уровней.

Ротационные (флажковые) датчики уровня

В датчиках электромеханического типа (Paddlewheel-Level Sensor) измерительная лопатка (обычно выполненная в виде «флажка» для облегчения установки датчика в технологическое отверстие в стене или крышке емкости) приводится в движение электродвигателем. По мере увеличения уровня материала увеличивается механическая нагрузка на лезвие. Возникает реактивный момент, который используется для воздействия на механический переключатель, в результате чего вращение двигателя прекращается, а активационные контакты реле замыкаются.

Возникновение реактивного момента сопровождается увеличением тока, потребляемого электродвигателем. В более продвинутых моделях изменение тока является управляющим сигналом для остановки двигателя и формирования электронного или релейного выходного сигнала. Когда уровень материала падает, ковш освобождается, и двигатель снова сбрасывается.

Лотовые датчики уровня

Датчики веса представляют собой электромеханические преобразователи уровня, в которых чувствительный груз (гиря) ​​прикреплен к концу кабеля или ленты, намотанной на барабан (катушку), размещенный в корпусе датчика. Датчик установлен на верхней крышке контейнера. Электродвигатель вращает кабельную катушку, в результате чего груз перемещается на нижний уровень контейнера. Как только чувствительный груз достигнет поверхности материала, натяжение троса изменится, за чем следит управляющая электроника. Затем направление вращения будет изменено на противоположное, и трос снова намотается на барабан. Количество витков катушки с кабелем отслеживается микроэлектроникой и преобразуется в значение уровня.

Вибрационные датчики уровня

Вибрационный сигнализатор уровня является надежным и не требующим обслуживания прибором для контроля уровня жидкостей и твердых веществ. Виброзонд, выполненный в виде вилки или одиночного вибратора круглого или ромбического сечения, механически связанный с пьезоэлементом, совершает колебания на резонансной частоте пьезоэлемента. При попадании жидкости или сыпучего материала на зонд поглощаются механические колебания, которые регистрируются электроникой датчика и приводят к формированию выходного сигнала. Понижение уровня материала освобождает зонд, что, в свою очередь, вызывает изменение состояния выходного ключа.

Оптические датчики уровня

Оптические датчики уровня используются для сигнализации предельного уровня жидкостей. Принцип работы оптических переключателей уровня основан на изменении показателя преломления оптического излучения на границе раздела двух сред.

Одной из сред является линза самого датчика, а другой – ближайшая среда, которая может быть воздухом (в случае, когда уровень жидкости ниже чувствительной поверхности датчика) и жидкостью (при определенном уровне жидкости) достиг). Датчик состоит из источника оптического излучения и фотоприемника, размещенных в одном корпусе. Как правило, в качестве источника оптического излучения используется инфракрасный светодиод.

При контакте линзы датчика с воздухом инфракрасное излучение светодиода отражается от внутренней поверхности линзы датчика и попадает в область фотоприемника, расположенного внутри прибора, который регистрирует наличие излучения. При погружении линзы в жидкость условия отражения света изменяются, и он большей частью уже не отражается, а проходит через линзу и рассеивается в жидкости. На выходе приемника электрическая цепь обрабатывает сигнал и преобразует его в цифровой выходной сигнал или в сигнал логического уровня.
Температура ограничена до +120 °С, метод также не рекомендуется для чистых жидкостей.

Гидростатические датчики уровня

Гидростатические датчики уровня могут использоваться как в качестве датчиков уровня, так и в качестве датчиков уровня жидких веществ. Обычно используют метод измерения, основанный на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара или воронки. Тот же принцип может быть расширен для измерения уровня твердых частиц или твердых частиц путем определения давления, оказываемого на дно контейнера.

Величина гидростатического давления на дне бака зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором и от плотности жидкости. Принцип действия: преобразование деформации упругочувствительного элемента под действием гидростатического давления в токовый сигнал. Гидростатические датчики уровня являются датчиками избыточного давления, поэтому датчик должен быть подключен к атмосфере.

При использовании «погружных» сигнализаторов уровня необходимо следить за тем, чтобы атмосферная труба была выведена за пределы резервуара. При установке гидростатических сигнализаторов уровня необходимо учитывать, что при перекачивании материала струя жидкости может вызвать избыточное давление, что приведет к ложным срабатываниям, поэтому датчики следует располагать как можно дальше от зоны турбулентности.

Ультразвуковые датчики уровня

Ультразвуковые датчики представляют собой бесконтактные датчики непрерывного уровня, которые обычно используют явление отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела газ-вещество в твердой или жидкой фазе и используются для преобразования уровня твердых тел и жидкостей. Электронный блок ультразвукового уровнемера измеряет время прохождения излучаемого ультразвукового импульса от датчика до границы раздела сред и обратно. Чем выше уровень в резервуаре или бункере, тем меньше времени требуется импульсу для прохождения от датчика к материалу и обратно. Поскольку скорость распространения звука в воздухе составляет 331 м/с, а измеренные уровни не превышают 70 м, измерение уровня можно проводить каждую секунду.

Ультразвуковой уровнемер устанавливается вертикально сверху или под небольшим углом в зависимости от профиля измеряемой поверхности. Диапазон измерения уровня — до 60 м с точностью 0,25%. Самые простые модели используются только как датчики уровня, а более дорогие позволяют измерять уровни даже в точках. Температура процесса не должна превышать +150 °C. Необходимо также учитывать следующее:

• Скорость распространения волны зависит от температуры, поэтому необходим встроенный датчик температуры.
• Присутствие частиц в среде может вызвать поглощение звуковых волн и исказить измерения.
• Ошибки могут быть вызваны турбулентностью жидкости.

Микроволновые радарные уровнемеры

Микроволновые радарные уровнемеры являются универсальными приборами для непрерывного измерения уровня твердых и жидких веществ, которые аналогичны ультразвуку по принципу действия и используют тот же принцип отражения волны от границы раздела сред и расчета «полета» время волны. Отличие заключается в том, что ультразвуковые датчики уровня работают в диапазоне излучения 20-50 кГц (звуковые — на частотах менее 10 кГц), а микроволновые радиолокационные датчики используют частоты 6-95 ГГц.

Радарный уровнемер построен по принципу радара, что сводит к минимуму влияние паразитных помех и помех, связанных с шероховатостью измеряемой поверхности. Так же, как и ультразвук, радарные уровнемеры не имеют контакта с измеряемым объектом, но в отличие от ультразвука значительно менее чувствительны к влиянию температуры и давления в рабочем сосуде, а также к их изменению.

Читайте также: Электрофильтр: виды, назначение

Выбор метода

Обзор методов измерения уровня еще не закончен, но пришло время заказчику задать себе вопрос, какой метод лучше всего подходит для его применения. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сначала дать полную характеристику материалов и технологических сред, от типа (жидкость, гранулят, порошок) и цели измерения, до определения их диэлектрической проницаемости, проводимости, вязкости, плотности. Необходимо определить пределы рабочей температуры и давления процесса, наличие турбулентности жидкости.

Также важно учитывать материал сосуда (металл, неметалл); среда, с которой контактирует измеряемый материал или вещество (воздух или другая среда); наличие посторонних частиц в среде; Определить требуемый уровень работоспособности датчика (стандартный взрывозащищенный, влагозащищенный, коррозионностойкий и т.д.). Наконец, необходимо установить, каковы предельные значения измеряемых уровней (например, 10 мм, 2 м).

Пока ответы на эти вопросы еще не даны, читателю предлагается ознакомиться с некоторыми простыми решениями, которые могут оказаться подходящими.

Емкостные датчики уровня

Работа емкостных датчиков уровня основана на различии диэлектрической проницаемости измеряемого материала и воздуха. Простейшим первичным преобразователем емкостного прибора является электрод, расположенный в корпусе датчика. Вместе с корпусом электрод образует конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня материала, так как при ее изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости материала. Изменение этой емкости описывается известной формулой:

С = КА/Д, (1)
где А — площадь электрода; D — расстояние между электродами; K — диэлектрическая проницаемость материала между электродами.

Как следует из (1), при неизменной геометрии электродов датчика уровня изменение диэлектрической проницаемости вызывает линейное изменение емкости. Этот факт позволяет не только использовать емкостные датчики уровня для решения задач измерения уровня, но и правильно выбрать схему установки емкостных датчиков для определения уровня различных материалов. Способность емкостных датчиков обнаруживать вещества, диэлектрическая проницаемость которых отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, определяет широкую область их применения в различных отраслях народного хозяйства.

Поплавковые датчики уровня

Поплавковые выключатели уровня используются в процессах, где требуется контроль уровня жидкости. Поплавковые выключатели являются простейшим элементом автоматики контроля уровня. При этом на сегодняшний день это самый надежный и экономичный способ сигнализации уровня различных жидкостей: от дистиллированной воды до агрессивных материалов и взвесей. Существует множество классификаций типов и подвидов поплавковых сигнализаторов уровня, но основной принцип их работы основан на действии выталкивающей силы на поплавок малой массы, насыпная плотность которого меньше плотности контролируемой жидкости.

В большинстве случаев под определением «поплавковые датчики уровня» понимаются датчики, состоящие из корпуса поплавка, внутри которого находится встроенный выключатель с плавающим металлическим контактом (ранее применялся ртутный, сейчас галинстан) и соединительного кабеля. В качестве поплавков в основном используются полые полипропиленовые сферические или сферические тела. Некоторые производители называют переключатели в честь материала корпуса, например, «поплавковые переключатели из полипропилена».

Изменение положения поплавка относительно горизонтальной оси приводит к срабатыванию плавающего металлического контакта выключателя. Выпускаются датчики, срабатывающие при пустом контейнере, в этом случае контакт срабатывает при опускании поплавка относительно вертикальной оси. Есть версии, которые срабатывают при заполнении, и в этом случае срабатывание происходит, когда поплавок поднимается относительно горизонтальной оси.

В последнее время появилось много новых разработок бесконтактных переключателей, примером которых являются магниточувствительные сигнализаторы и измерители уровня. Магнитные сигнализаторы уровня состоят из поплавка со встроенным магнитом, направляющей, соединительного кабеля и схемы индикации (при необходимости). Поплавок со встроенным магнитом перемещается под действием гидростатической плавучести по направляющей трубке, что, например, вызывает попеременное замыкание магниточувствительных язычковых контактов, расположенных внутри направляющей трубки. Количество герконов и, следовательно, количество контролируемых уровней может достигать семи и более.

Разработки датчиков уровня от «TEKO»

Несмотря на такой широкий спектр типов реле уровня и то, что в течение последнего десятилетия этот арсенал средств измерений пополнялся новыми разработками, проточные и емкостные датчики уровня остаются мировыми лидерами в своем применении. По разным данным, их суммарная доля среди всего ассортимента таких датчиков составляет 40%. При этом 25 % всех типов приходится на магниточувствительные датчики расхода, 15 % — на емкостные. Что неудивительно: 80% задач по измерению уровня — это измерения уровня жидкости, и магниточувствительные датчики расхода здесь наиболее надежны благодаря простой конструкции, достаточно точны (±1 мм) и в то же время экономически целесообразны.
Более 25 лет НПК ТЕКО специализируется на разработке и производстве магниточувствительных датчиков расхода и емкостных датчиков уровня.

Емкостные датчики «ТЕКО»

Емкостные датчики пороговых измерений выпускаются как в общепромышленном исполнении, так и в особо взрывоопасном. Взрывозащищенные датчики разработаны и изготовлены в соответствии с нормами безопасности для средств управления и автоматизации в химической промышленности (серия Namur). Датчики изготавливаются по методу «искробезопасная электрическая цепь», что предотвращает выделение электрической и тепловой энергии во взрывоопасную среду. Датчики уровня НПК «ТЭКО» серии Namur имеют маркировку взрывозащиты 0ExaIICT6, 0ExaIICT4 по ГОСТ Р 51330.0-99. Используются совместно с интерфейсными блоками Namur с искрозащитой (например, BC N1-1E-AE-AC220) производства НПК ТЕКО».

К вопросу о дополнительных критериях выбора — заказчику предоставляется возможность подготовить спецификацию заявки, в которой указываются требования к исполнению, электрической мощности и выходному интерфейсу, механическому интерфейсу (варианты монтажа).

Например, по требованию заказчика емкостные датчики уровня могут изготавливаться с учетом требований к условиям эксплуатации:

• низкотемпературное исполнение (-45…+65 °С);
• высокотемпературное исполнение (-15…+105 °С);
• тропическое исполнение;
• шумозащитная конструкция;
• виброустойчивая конструкция.

Также возможно исполнение для других условий эксплуатации или их комбинаций.

Емкостные датчики уровня производства НПК «ТЭКО» представлены такой продукцией, как ЦСН ЭЦ46Б8-315, ЦСН ЭФ46Б8-31П, ЦСН Э47, ЦСН Э53, ЦСН ВК83, ЦСН Э86, ЦСН Э87, ЦСН Э88, ЦСН И06, ЦСН И71П СС84.

ЦСН Э47С8 (на фото) предназначен для решения задач контроля уровня жидкости в различных технологических процессах. Основные области применения — контроль порогового уровня (обычно нижнего или верхнего) жидкости в резервуарах, баках, емкостях, а также контроль наличия жидкости в трубе. Материалы, использованные в конструкции данного емкостного датчика уровня (корпус из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, чувствительная поверхность из фторопласта), позволяют использовать его в пищевой промышленности
промышленности, что подтверждается санитарно-эпидемиологическим заключением № 77.МУ. 02.342.П. 000104.01.08 от 31.01.2008.

Датчик предельного значения ЦСН Э47С8 может использоваться для измерения уровня молока в цистернах, контроля уровня пива в цистернах, измерения уровня спирта в цистернах, в системах водоподготовки и водоподготовки, с его помощью можно отслеживать наполнение бак с родниковой водой и контролировать уровень очищенной или умягченной воды.
Учитывая особенности материалов конструкции датчика, его можно использовать для контроля уровня химически агрессивных жидкостей: растворов щелочей, кислот, растворителей, смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в станках, автоматических линиях, накопительных баках и т.п.

ЦСН ЭФ46Б8-31П предназначен для контроля уровней жидкостей, сыпучих материалов и смесей. Они доказали свою способность контролировать уровень нефтепродуктов (дизеля, керосина и т.д.). Их устанавливают в баках с избыточным давлением до 0,15 МПа. Агрегаты также доступны во взрывозащищенном исполнении.

Емкостные датчики уровня типа ЦСН EC46B8-315 и CSN EF46B8-31P характеризуются встроенной задержкой срабатывания 2±0,5 с.

ЦСН Е53 — стандартный емкостный датчик уровня с простым уплотнением и корпусом из фторопласта, препятствующим налипанию материалов с высокой тиксотропией (свойство повышения текучести/снижения вязкости материала при перемешивании).

CSN WC83 — емкостный датчик уровня жидкости под давлением до 20 МПа.

CSN E86, CSN E87, CSN E88 – емкостные датчики уровня корма. Выпускается в неразборных герметичных пластиковых коробках. ЦСН Е87 и ЦСН Е88 имеют встроенную регулировку задержки срабатывания, а ЦСН Е88 снабжен гальванически развязанными переменными контактами реле для подключения нагрузки 220В/8А.

CSN I06 является оптимальным решением для регулирования уровня в байпасных трубопроводах (где датчик уровня не может быть вставлен в резервуар). Идеально подходит для контроля семян на сельскохозяйственной технике.

ЦСН И71П — датчики емкостные со сферической чувствительной поверхностью, препятствующей скоплению сыпучего материала. Датчики используются для проверки блокировки перегрузочных лотков на конвейерных лентах при транспортировке угля и различных твердых материалов. Датчик можно использовать для проверки уровня и наличия сыпучих материалов (сита, песка, цемента, строительных смесей и т д.) на другом оборудовании и в промышленности. Сферическая чувствительная поверхность из ПТФЭ предотвращает прилипание контролируемого материала.

CSN CC84 представляет собой погружной датчик уровня, предназначенный для установки и эксплуатации в нормальных условиях и в местах, где возможно смешивание с воздухом горючих газов, паров или пыли
взрываться в присутствии источника воспламенения. Он относится к особо взрывозащищенному электрооборудованию и может применяться во взрывоопасных зонах. Датчик предназначен для работы в составе оборудования пищевой и перерабатывающей промышленности, может работать в контакте с пищевыми продуктами и средами. Применяется для контроля уровня заполнения силосов мукой, зерном, комбикормом и т.п на фабриках, элеваторах и пекарнях.

В дополнение к сигнальному оборудованию ТЕКО также разработал датчики для непрерывных измерений, такие как CSA EC49 (на фото). Хотя это устройство не имеет прямого отношения к теме статьи, оно показывает, что на основе датчиков ТЕКО можно добиться решения не только самых простых, но и более сложных задач.