Датчики уровня жидкости в резервуаре позволяют как производить текущее измерение количества заправленной жидкости, так и сообщать о достижении предельных ее значений. Такие приборы состоят из чувствительного сенсора, реагирующего на определенные физические параметры, и схемы измерения, контроля и индикации. В зависимости от области применения используются устройства, различающиеся принципом своего действия.
Информация, изложенная в статье, поможет узнать о принципах работы датчиков разных типов и областях их применения. Будет осуществлен краткий обзор их достоинств и недостатков, указаны основные зарекомендовавшие себя на рынке производители.
Классификация приборов
Датчики уровня жидкости в резервуаре могут быть уровнемерами или сигнализаторами. Первые из них предназначены для постоянного измерения уровня жидкости в текущий момент времени. Они используют сенсоры, работающие на разных физических принципах. Дальнейшую обработку поступающих от них сигналов производят аналоговые или цифровые электронные схемы, входящие в состав уровнемеров. Полученные показатели отображаются на элементах индикации.
Сигнализаторы предупреждают о достижении определенного, заранее установленного элементами настройки значения уровня жидкости в емкости. Другое их название — датчики уровня воды в резервуаре для отключения ее дальнейшей подачи. Их выходной сигнал является дискретным. Предупреждение может выдаваться в виде световой или звуковой сигнализации. При этом происходит автоматическая блокировка работы систем заправки или слива жидкости.
Поплавковые уровнемеры воды
| Модификация | Фото | Коммут-ная функция | Коммут-ое напр-е | Коммут-ый ток | Выходной элемент | Материал | Температура среды | ||
| DC | AC | DC | AC | ||||||
| ПДУ-Т101 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т102 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т104 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь + Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т106 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т121-065-115 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т301 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т302 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т321-060-110 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т501 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т502 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т505 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т601-2 | 220 V | 220 V | 10 А | 10 А | Реле | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т601-5 | 220 V | 220 V | 10 А | 10 А | Реле | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
Методы измерения уровня
В зависимости от свойств жидкости, уровень которой в резервуаре требуется определить, используются следующие методы измерения:
- контактный, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие датчика уровня жидкости в резервуаре или его части с измеряемой средой;
- бесконтактный, позволяющий избежать прямого взаимодействия датчика с жидкостью (ввиду ее агрессивных свойств или высокой вязкости).
Контактные устройства располагаются в емкости непосредственно на поверхности измеряемой жидкости (поплавки), в ее глубине (гидростатические манометры), либо на стенке резервуара на определенной высоте (пластинчатые конденсаторы). Для бесконтактных измерителей (радарных, ультразвуковых) необходимо обеспечить зону прямой видимости поверхности измеряемой жидкости и отсутствие прямого соприкосновения с ней.
Критерии выбора
Существуют определенные особенности, которые необходимо учитывать при классификации датчика. Они указаны ниже:
- Точность.
- Условия окружающей среды — обычно датчики имеют ограничения по температуре, влажности.
- Диапазон — предел измерения датчика.
- Калибровка — необходима для большинства измерительных приборов, так как показания меняются со временем.
- Стоимость.
- Повторяемость — изменяемые показания многократно измеряются в одной и той же среде.
Принципы действия
Как уровнемеры, так и сигнализаторы для выполнения своих функций используют разные принципы действия. Наибольшее распространение получили устройства следующих типов:
- поплавковые датчики уровня жидкости в резервуаре;
- емкостные;
- гидростатические датчики уровня жидкости;
- устройства радарного типа;
- ультразвуковые датчики.
Поплавковые, в свою очередь, могут быть механическими, дискретными и магнитострикционными. Первые три группы датчиков включают в себя устройства, использующие контактный метод измерения, две другие относятся к бесконтактным устройствам.
Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа
Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.
Механические поплавковые датчики
Легкий поплавок, постоянно находящийся на поверхности жидкости в резервуаре, системой механических рычагов связан со средним выводом потенциометра, который является плечом моста сопротивлений. При минимальном количестве жидкости в емкости мост считается сбалансированным. Напряжение в его измерительной диагонали отсутствует.
По мере заполнения резервуара поплавок отслеживает положение уровня жидкости, перемещая через систему рычагов подвижный контакт потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Появившееся напряжение в его измерительной диагонали используется электронной схемой системы индикации. Ее аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в текущий момент времени.
Дискретные поплавковые датчики
Дискретный сигнал в виде замыкания или размыкания контактов герконового реле используется схемой электронной индикации и сигнализации для оповещения о достижении уровня жидкости в емкости определенного значения. Металлические контакты, выполненные из материала с низким переходным сопротивлением при их замыкании, помещены в полую изолированную стеклянную колбу.
Датчик уровня воды в резервуаре с дискретным выходом имеет в своем составе направляющую в виде полой трубки, в которую не попадает жидкость из резервуара. Внутри направляющей закреплены контакты одного или нескольких герконовых реле. Место их расположения зависит от того, в каком случае необходимо получить сигнализацию о достижении уровнем жидкости заданного значения.
Поплавок датчика со встроенным в него небольшим постоянным магнитом движется вдоль направляющей при изменении уровня жидкости в емкости. Срабатывание контактной группы происходит в момент ее попадания в магнитное поле постоянного магнита поплавка. Сигнал по проводам, подключенным к контактам датчика уровня воды в емкости геркона, поступает на схему сигнализации.
Работа с различными устройствами
Принцип действия и классификация датчиков температуры разделяются и на использование технологии в других типах оборудования. Это могут быть приборные панели в автомобиле и специальные производственные установки в промышленном цеху.
- Термопара — модули изготовлены из двух проводов (каждый — из разных однородных сплавов или металлов), которые образуют измерительный переход путем соединения на одном конце. Этот измерительный узел открыт для изучаемых элементов. Другой конец провода заканчивается измерительным устройством, где формируется опорный переход. Ток протекает по цепи, так как температура двух соединений различна. Полученное милливольтное напряжение измеряется для определения температуры на стыке.
- Термодатчики сопротивления (RTD) — это типы терморезисторов, которые изготавливаются для измерения электрического сопротивления при изменении температуры. Они дороже, чем любые другие устройства для определения температуры.
- Термисторы. Они представляют собой другой тип термического резистора, в котором большое изменение сопротивления пропорционально небольшому изменению температуры.
Магнитострикционные поплавковые датчики
Датчики этого типа выдают постоянный сигнал, зависящий от уровня жидкости в резервуаре. Основным элементом, как и в предыдущем случае, является поплавок с постоянным магнитом внутри, занимающий свое положение на поверхности жидкости и перемещающийся в вертикальной плоскости вдоль направляющей.
Внутреннюю полость направляющей, изолированную от жидкости, занимает волновод. Он выполнен из магнитострикционного материала. В нижней части элемента расположен источник импульсов тока, которые распространяются вдоль него.
При достижении излученного импульса места нахождения поплавка с магнитом происходит взаимодействие двух магнитных полей. Результатом такого взаимодействия является возникновение механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу.
Рядом с импульсным генератором закреплен пьезоэлемент, который фиксирует механические колебания. Внешняя электронная схема анализирует временную задержку между излученным и полученным импульсами и вычисляет расстояние до поплавка, который постоянно находится на поверхности жидкости. Схема индикации постоянно сообщает об уровне жидкости в резервуаре.
Емкостные датчики
Работа датчиков этого типа основана на свойствах конденсатора изменять свою электрическую емкость при изменении показателя диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между его обкладками. Применяются конденсаторы коаксиального типа, представляющие собой пару соосных пустотелых металлических цилиндров разного диаметра.
Последние являются обкладками конденсатора, между которыми может свободно проникать жидкость. Показатели диэлектрической проницаемости воздуха и жидкой среды имеют разные значения. Заполнение резервуара приводит к изменению значения общей диэлектрической проницаемости коаксиального конденсатора и, соответственно, его электрической емкости.
Частота колебательного контура, в цепь которого включен конденсатор, изменяется пропорционально изменению его емкости. Электронный преобразователь частота/напряжение отслеживает это изменение и выдает на индикацию значение, пропорциональное степени заполнения резервуара.
Область применения емкостных уровнемеров жидкости
Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:
- Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
- Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
- Системы водоснабжения и водоотведения;
- Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
- ЖКХ и сельское хозяйство;
- Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
- Фармацевтические компании.
Гидростатические датчики
Другое название такого устройства — детектор, или преобразователь давления. Они могут быть стационарными, закрепленными в нижней точке емкости, заполняемой жидкостью, или переносными. В последнем случае преобразователи давления комплектуются кабелем значительной длины. Это позволяет использовать их для резервуаров разных геометрических размеров.
Чувствительный элемент гидростатического датчика представляет собой мембрану, которая воспринимает давление столба жидкости над собой. Его настройка выполнена таким образом, что атмосферное давление не приводит к деформации мембраны. По величине давления в точке измерения можно определить высоту столба жидкости или степень заполнения резервуара.
Величина деформации мембраны преобразуется в пропорциональный электрический показатель, который затем используется для отображения уровня жидкости в резервуаре. Применяются поправки, учитывающие плотность измеряемой среды и ускорение свободного падения в точке измерения.
Датчики радарного типа
Датчик уровня жидкости емкости использует бесконтактный метод измерения, основанный на свойствах этой среды любой плотности и вязкости отражать электрический сигнал. Частота излучаемого сигнала радиолокатора, расположенного над поверхностью измеряемого уровня жидкости, изменяется по линейному закону.
Отраженный от поверхности, он приходит на приемное устройство с задержкой, определяемой длиной пройденного пути. Таким образом, между частотами двух сигналов присутствует разница. По величине сдвига частоты анализирующее устройство локатора определяет пройденный сигналом путь или уровень отражающей жидкости относительно места расположения радиолокатора.
Рефлекс-радарный уровнемер
Принцип измерения
Принцип измерения рефлекс-радарного TDR уровнемера основан на технологии рефлектометрии во временно области (TDR — «Time Domain Reflectometry»). Часто такие приборы также называют уровнемерами с направленной волной, контактного типа (GWR — «guided wave radar»). При данном способе измерений электромагнитные импульсы малой мощности и длительностью около 1 наносекунды распространяются по волноводу (чаще всего стержень или несколько стержней, трос, коаксиальная конструкция). Импульсы движутся со скоростью, определяемой характеристиками среды распространения, геометрией волновода — как конструкции распространения электромагнитного излучения. В случае распространения в воздухе при нормальных условиях скорость распространения считают равной скорости света. Скорость распространения обратно-пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости среды распространения [1]. В случае распространения импульсов через слой среды, диэлектрическая проницаемость которой близка к 2 (почты все нефтепродукты), скорость распространения снизится в 1.414 раз. Достигнув поверхности контролируемого продукта, импульсы отражаются от границы раздела сред, а интенсивность отражения также зависит от диэлектрической постоянной продукта εr (например, от поверхности воды отражается до 80% от уровня первоначального импульса, для светлых нефтепродуктов — около 17%). Прибор измеряет временной интервал между моментами излучения и отражения импульсов. Половина этого времени соответствует расстоянию между точкой начала отсчёта (часто принимают за начало отсчета уплотнительную поверхность фланца) и поверхностью измеряемой среды. Это временное значение преобразуется в выходной сигнал требуемого типа, например 4…20 мА и/или дискретные сигналы, либо сохраняется в доступном для считывания/доступа виде с использованием цифрововых интерфейсов/протоколов (например RS-485, Modbus RTU, HART и т.п.). Особенностью приборов данного типа является возможность измерения межфазного уровня одновременно с измерением уровня основного продукта, без применения движущихся частей. Отдельные приборы такого типа удобно объединяют в себе измерение уровня и температуры продукта. Пыль, пена, испарения, неспокойная поверхность, кипящие жидкости, колебания давления и температуры, плотности практически не влияют на работу прибора.
Ультразвуковые датчики уровня
Схема измерения, использующаяся для датчиков этого типа, соответствует рассмотренной в предыдущем разделе статьи. Локационный метод измерения применяется в ультразвуковом диапазоне длин волн.
Полученные данные определяют разницу во времени между излученным передатчиком и принятым приемником сигналами. Используя данные о скорости распространения ультразвука в пространстве над поверхностью жидкости, анализирующее устройство определяет расстояние, пройденное сигналом, или уровень жидкости в резервуаре.
