Кондуктометрические датчики уровня принцип действия

Кондуктометрические датчики уровня — устройство и принцип работы

Стандартной задачей, весьма распространенной в промышленности, в частности — в пищевой, является сигнализация достижения жидкостью в емкости определенного уровня. Существует много методов для решения данной задачи, но наиболее простым и недорогим способом является применение кондуктометрических датчиков уровня.

Такие датчики успешно могут работать с электропроводящими жидкостями проводимостью 0,2 См/м и более. К подобным жидкостям относятся питьевая и техническая вода, слабые растворы щелочей, кислот, сточные воды и пищевые жидкости (например квас или пиво).

Принцип работы кондуктометрических датчиков основан на том, что при достижении жидкостью в емкости определенного уровня, рабочая жидкость замыкает электрод датчика на корпус металлического резервуара либо на дополнительный электрод самого датчика, вызывая в цепи датчика электрический ток. В итоге замыкание цепи датчика приводит к срабатыванию реле, которое, в свою очередь, управляет соответствующей схемой.

Кондуктометрические датчики уровня по условиям температуры и давления принципиально способны работать при температурах до +350°С, и при давлениях до 6,3 МПа, что определяется материалом изолятора электрода, а конкретные значения производитель указывает в сопутствующей документации.

Препятствиями для нормальной работы кондуктометрического датчика могут оказаться: сильное вспенивание жидкости, сильное парение рабочей среды, образование изолирующих отложений на чувствительном элементе датчика и проводящих отложений на его изоляторе. Все эти препятствия производитель стремится предотвратить, выбирая более подходящий материал для датчика.

Рассмотрим физику рабочего процесса кондуктометрического датчика, то есть немного затронем суть кондуктометрии. Электрическое сопротивление раствора, соответственно — его электропроводность, характеризуют способность данного раствора в определенной степени проводить электрический ток.

Данные параметры сильно связаны с физико-химическими свойствами растворенного вещества и растворителя: с концентрацией растворенных ионов и с их подвижностью, с зарядом этих ионов, с температурой раствора, с давлением, и со многими другими факторами.

Электропроводность имеет размерность Сименс на сантиметр (См/см). Характеристикой сверхчистых и чистых вод служит сопротивление, выражаемое в Омах на сантиметр (Ом*см).

По терминологии кондуктометрии, кондуктометрическая ячейка является чувствительным элементом датчика, она характеризуется константой ячейки.

В классическом виде кондуктометрическая ячейка состоит из двух параллельно расположенных электродов площадью в несколько квадратных сантиметов, которые погружаются в раствор, и расстояние между которыми составляет обычно несколько сантиметров.

Для каждого такого установленного датчика можно ввести константу ячейки (с), и выразить ее в 1/см. Сегодня все чаще кондуктометрические датчики имеют электроды из нержавеющей стали, при этом константы возможны разные.

Кондуктометрические датчики уровня могут контролировать один или несколько установленных уровней проводящий жидкости. И принцип всегда один — электропроводность жидкости отличается от электропроводности воздуха, что электроды и фиксируют. Датчики могут быть как одноэлектродными, так и многоэлектродными, позволяющими отследить несколько уровней жидкости.

В простейшем виде кондуктометрический датчик уровня представляет собой электроды из нержавеющей стали, один из которых служит общим в схеме контроля, и устанавливается в емкости таким образом, чтобы его рабочая часть постоянно контактировала с жидкостью, в частности, общим электродом может стать проводящий корпус емкости с жидкостью. Другие электроды будут сигнальными, и располагаются на определенных уровнях, которые необходимо контролировать.

В процессе заполнения емкости жидкостью, сигнальные электроды оказываются последовательно в контакте с этой жидкостью, и цепи одна за другой замыкаются. Соответственно срабатывают сигнальные выходы прибора.

Одноэлектродные датчики подходят для работы в металлических емкостях закрытого или открытого типа. Гильзы датчиков могут быть фторопластовыми, керамическими или пластмассовыми. Стержни — из нержавеющей стали. Особенное внимание при изготовлении датчиков уделяется их структуре, которая обязана предотвратить ложное срабатывание из-за скопления жидкости.

Пятиэлектродные, четырехэлектродные и трехэлектродные кондуктометрические датчики уровня используют для контроля, как отмечалось выше, нескольких уровней жидкости в емкости, даже если стенки емкости не являются проводящими, то есть выполнены из изоляционного материала, например из пластика.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Кондуктометрические разновидности датчиков считаются оптимальными при необходимости точного контроля уровня токопроводящих жидкостей, включая находящиеся под избыточным давлением.

Их устанавливают в резервуарах разного типа с целью получения сигнала о достижении опасных и предельных значений уровня, регулирования и отслеживания этого параметра.

Данные измерительные приборы ценятся за простоту и прочность конструкции, при целевом использовании недостатки не проявляются.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Принцип работы кондуктометрического датчика заключается в использовании разницы показателей электропроводимости воздуха и контролируемой жидкой среды.

В простейшем исполнении он состоит из корпуса с резьбовым штуцером, изоляции, герметизирующего колпачка и погружного элемента, подключаемого к реле вместе с общим электродом.

Функции последнего выполняют стенки металлического бака или дополнительный контрольный стержень, погружаемый как можно ближе к дну или нижнему пределу измерения.

Реле срабатывает при достижении поверхностью жидкости нижней точки сигнального стержня и наоборот. Сигналы датчика передаются на индикаторные устройства, регуляторы уровня и другие типы приборов систем автоматического управления.

Замыкаемая или размыкаемая цепь является слаботочной, способ ценится за простоту и безопасность. Защиту от ложного срабатывания обеспечивают изоляционные шайбы и препятствующий накоплению влаги колпачок, требования к их прочности зависят от ожидаемых параметров рабочей среды.

Материалом для изготовления электродов чаще всего служит нержавеющая сталь, корпуса – пластмасса, защитных и изолирующих частей – фторопласт, керамика или полифениленсульфид. Стержни выпускаются в обычном неразборном исполнении или оснащаются адаптером, второй вариант выбирается при необходимости частого изменения их длины.

К конструктивным преимуществам кондуктометрических разновидностей датчиков уровня относят:

• устойчивость к турбулентности и напору контролируемой среды;
• наличие прочного и компактного корпуса, возможность контроля и наращивания длины погружных частей;
• отсутствие движущихся узлов (актуально для стержневых разновидностей кондуктометрических сигнализаторов); простоту настройки и обслуживания.

Кондуктометрические виды датчиков с одинаковым успехом используются при измерении уровня в баках и цистернах из металла и емкостях со стенками из изоляционного материала, включая пластик.

В первом случае число закрепляемых стержней совпадает с требуемым количеством каналов измерений, уровень жидкости особой роли не играет. Во втором один из стержней выполняет функции общего, требования к его длине и точке монтажа ужесточаются.

Для отслеживания границ сыпучих материалов и диэлектрических жидкостей кондуктометрические разновидности не подходят. Разницы в проводимости недостаточно для замыкания цепи и срабатывания контакта реле. Но при правильной настройке их можно использовать для определения границ раздела разнородных сред, например, между топливом и водой в сепараторах.

РАЗНОВИДНОСТИ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ-РЕЛЕ

В зависимости от типа чувствительного элемента все кондуктометрические измерительные приборы разделяются на стержневые и тросовые. Первая группа представлена датчиками с жесткими стержнями длиной от 0,1 до 4 м с возможностью увеличения этого параметра с помощью удлинителей до 5-10 м.

Вторая группа датчиков имеет гибкие электроды длиной от 1 до 22 м, выбираемые при необходимости передачи сигнала на большие расстояния, но требующие защиты от переплетения и контакта со стенками.

Стержневые кондуктометрические датчики уровня более распространены, в зависимости от числа чувствительных элементов они разделяются на одно- и многоэлектродные. Первые устанавливаются в емкостях с металлическими стенками открытого и закрытого типа и имеют усиленную защиту от ложного срабатывания.

Они контролируют изменение только одного предела уровня, при необходимости его изменения положение датчика или длину электрода меняют.

Многоэлектродные разновидности задействуются при необходимости для контроля нескольких уровней жидкостей в емкостях с любыми стенками включая изоляционные материалы. Стандартные серии обычно имеют три независимых канала отслеживания (при максимуме в шесть), сложность схемы контроля зависит от числа реле и поставленных задач.

Как правило они устанавливаются вертикально, высоту стержней можно менять.

К общим требованиям монтажа относят:

• использование соединительных проводов с сечением не более 1,5 мм 2 ;
• размещение передающего преобразователя в удобном для наблюдения и обслуживания месте;
• заземление дополнительного электрода или металлических стенок бака, выполняющих его функцию;
• запрет на размещение концов электродов в местах постоянного нахождения контролируемой жидкости или скопления воздушных пробок.

Короткие одноэлектродные стержневые разновидности длиной около 10 см лучше остальных подходят для горизонтального монтажа. Чаще всего их привинчивают к стенкам бака в трех точках: на нижнем и верхнем критическом уровне, и контрольной высоте. Такая схема оптимальна при выполнении стенок емкости из металла, в противном случае возникает потребность добавления длинного вертикального электрода.

ОБЛАСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЯ К РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Датчики кондуктометрического типа успешно используются для измерения уровня жидкостей с проводимостью от 0,2 См/м, температурой до +350 °С и давлением в пределах 6,3 МПа. Точные значения характеристик зависят от материалов корпуса и изоляции и в обязательном порядке указываются производителем.

К самым распространенным типам рабочих жидкостей относят:

• водопроводную, техническую и морскую воду;
• слабые растворы солей, щелочей и кислот;
• сточные и дренажные воды;
• пищевые жидкости (квас, пиво, молоко, напитки).

Стандартной областью применения кондуктометрических датчиков считается измерение уровня жидкости в пищевой, химической и с/х промышленности и энергетике. В частности, их устанавливают в САУ линий производства продуктов и напитков, системах водоподготовки и снабжения, очистных, поливочных и дренажных сооружениях.

Безотказная работа при избыточном давлении делает возможной их эксплуатацию в котельных, насосных станциях и гидросооружениях. Тип рабочей емкости может быть любым, включая открытые и закрытые товарные резервуары разной формы и объема.

Датчики такого типа не предназначены для контроля за уровнем вязких, клейких или диэлектрических жидкостей. Ограничением к применению также может стать чрезмерное вспенивание или парение рабочей среды (в этом случае их заменяют более совершенными модификациями или другими типами ИП).

Производители решают эту проблему путем подбора разных материалов, учет их рекомендаций при выборе датчика с учетом параметров рабочей жидкости обязателен.

© 2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Кондуктометрические датчики уровня — устройство и принцип работы

Стандартной задачей, весьма распространенной в промышленности, в частности — в пищевой, является сигнализация достижения жидкостью в емкости определенного уровня. Существует много методов для решения данной задачи, но наиболее простым и недорогим способом является применение кондуктометрических датчиков уровня.

Такие датчики успешно могут работать с электропроводящими жидкостями проводимостью 0,2 См/м и более. К подобным жидкостям относятся питьевая и техническая вода, слабые растворы щелочей, кислот, сточные воды и пищевые жидкости (например квас или пиво).

Принцип работы кондуктометрических датчиков основан на том, что при достижении жидкостью в емкости определенного уровня, рабочая жидкость замыкает электрод датчика на корпус металлического резервуара либо на дополнительный электрод самого датчика, вызывая в цепи датчика электрический ток. В итоге замыкание цепи датчика электропроводности приводит к срабатыванию реле, которое, в свою очередь, управляет соответствующей схемой.

Кондуктометрические датчики уровня по условиям температуры и давления принципиально способны работать при температурах до +350°С, и при давлениях до 6,3 МПа, что определяется материалом изолятора электрода, а конкретные значения производитель указывает в сопутствующей документации.

Препятствиями для нормальной работы кондуктометрического датчика могут оказаться: сильное вспенивание жидкости, сильное парение рабочей среды, образование изолирующих отложений на чувствительном элементе датчика и проводящих отложений на его изоляторе. Все эти препятствия производитель стремится предотвратить, выбирая более подходящий материал для датчика.

Рассмотрим физику рабочего процесса кондуктометрического датчика, то есть немного затронем суть кондуктометрии. Электрическое сопротивление раствора, соответственно — его электропроводность, характеризуют способность данного раствора в определенной степени проводить электрический ток.

Данные параметры сильно связаны с физико-химическими свойствами растворенного вещества и растворителя: с концентрацией растворенных ионов и с их подвижностью, с зарядом этих ионов, с температурой раствора, с давлением, и со многими другими факторами.

Электропроводность имеет размерность Сименс на сантиметр (См/см). Характеристикой сверхчистых и чистых вод служит сопротивление, выражаемое в Омах на сантиметр (Ом*см).

По терминологии кондуктометрии, кондуктометрическая ячейка является чувствительным элементом датчика, она характеризуется константой ячейки.

В классическом виде кондуктометрическая ячейка состоит из двух параллельно расположенных электродов площадью в несколько квадратных сантиметов, которые погружаются в раствор, и расстояние между которыми составляет обычно несколько сантиметров.

Для каждого такого установленного датчика можно ввести константу ячейки (с), и выразить ее в 1/см. Сегодня все чаще кондуктометрические датчики имеют электроды из нержавеющей стали, при этом константы возможны разные.

Кондуктометрические датчики уровня могут контролировать один или несколько установленных уровней проводящий жидкости. И принцип всегда один — электропроводность жидкости отличается от электропроводности воздуха, что электроды и фиксируют. Датчики могут быть как одноэлектродными, так и многоэлектродными, позволяющими отследить несколько уровней жидкости.

В простейшем виде кондуктометрический датчик уровня представляет собой электроды из нержавеющей стали, один из которых служит общим в схеме контроля, и устанавливается в емкости таким образом, чтобы его рабочая часть постоянно контактировала с жидкостью, в частности, общим электродом может стать проводящий корпус емкости с жидкостью. Другие электроды будут сигнальными, и располагаются на определенных уровнях, которые необходимо контролировать.

В процессе заполнения емкости жидкостью, сигнальные электроды оказываются последовательно в контакте с этой жидкостью, и цепи одна за другой замыкаются. Соответственно срабатывают сигнальные выходы прибора.

Датчики уровня ОВЕН кондуктометрического и поплавкового типов

Компания ОВЕН серийно производит сигнализаторы и уровнемеры кондуктометрического и поплавкового типов для контроля уровня жидкостей в открытых и закрытых резервуарах. Основное отличие уровнемера от сигнализатора заключается в непрерывном измерении уровня, а не только его предельных значений. Датчики ОВЕН отличаются простотой монтажа, надежностью измерений, механической прочностью и доступной ценой, они могут устанавливаться в технологических емкостях и товарных резервуарах любой формы и размера.

Кондуктометрические датчики уровня ОВЕН

Датчики уровня кондуктометрического типа (рис. 1) предназначены для защиты от переполнения емкостей, предохранения насосов от «сухого» хода, контроля одного или нескольких уровней электропроводных жидкостей (более 0,2 См/м). К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, растворы солей, вода, пищевые продукты и пр. Датчики не пригодны для работы с клейкими и диэлектрическими жидкостями.

Принцип действия датчиков основан на измерении сопротивления среды. Электрод определяет текущий уровень жидкости. В металлических резервуарах корпус может служить общим электродом. Остальные электроды являются сигнальными, их количество соответствует числу контролируемых уровней. В неметаллических резервуарах количество электродов должно быть на единицу больше числа контролируемых уровней, поскольку один из них служит общим электродом (рис. 2). Его длина должна быть максимальной по отношению к остальным электродам, а рабочая часть должна находиться в постоянном контакте с жидкостью.

Рис. 2. Применение кондуктометрических датчиков уровня

Преимущества кондуктометрических датчиков ОВЕН:

• компактность;
• удобное крепление резьбовым соединением (ДС);
• исключение схлестывания электродов (ДСП.3, ДУ);
• герметичность клеммного соединения (ДС);
• удобное подключение проводов винтовым соединением;
• выгодное соотношение цена/ качество.

Кондуктометрические датчики бывают одно- и многоэлектродными (рис. 2).

Одноэлектродные датчики уровня

Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС (табл. 1) могут применяться в резервуарах открытого и закрытого типа при температуре среды не выше 240 0 С.

Универсальный датчик ДС.ПВТ предлагается на замену ДС.К и ДС.1, он предназначен для работы с избыточным давлением до 2,5 МПа, например, в котлоавтоматике. ДС.ПВТ имеет три типа присоединительной резьбы: М18х1,5; М20х1,5; G1/2.

Электроды датчиков ДС из нержавеющей стали 12Х18Н10Т имеют длину: 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м.

Стержень 1,95 м с адаптером имеет резьбу с двух сторон, что позволяет наращивать длину до 10 м. Разборная конструкция датчика обеспечивает удобство транспортировки.

Многоэлектродные датчики уровня

Многоэлектродные датчики уровня серии ОВЕН ДУ (табл. 2) предназначены для сигнализации уровней жидкости (неагрессивной к материалу датчика) в резервуарах открытого типа.

Трех-, четырех- и пятиэлектродные датчики (ДУ.3, ДУ.4, ДУ.5) длиной 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м контролируют до пяти уровней в металлических резервуарах, до четырех уровней – в резервуарах из диэлектрических материалов.

Трехэлектродный датчик ДСП.3 предназначен для сигнализации двух–трех уровней жидкости. Датчик может устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа и комплектуется стержнями, как и одноуровневые. ДСП.3 крепится посредством резьбового соединения.

Рис. 3. Поплавковые датчики уровня

ДСП.3 применяется в резервуарах для хранения воды, водонапорных станциях, очистных и поливочных сооружениях, бассейнах.

Поплавковые датчики уровня

ОВЕН Поплавковые датчики уровня применяются для измерения и сигнализации уровня различных жидкостей (воды, растворов, легких нефтепродуктов), в том числе агрессивных жидких сред, за исключением коррозионно-активных к материалу датчика. В отличие от кондуктометрических поплавковые датчики работают не только с электропроводными, но и с неэлектропроводными жидкостями. Датчики могут устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа.

Простота конструкции поплавковых датчиков гарантирует надежность и экономичность обслуживания. Они состоят из поплавка с магнитом внутри и штока с герконами, срабатывающими при приближении к магниту. Датчики устойчивы к пене и пузырькам, могут работать с вязкими жидкостями, а также при высоких температурах и давлениях, но не годятся для измерения липких, засыхающих и замерзающих жидкостей, а также жидкостей с механическими включениями.

Поплавковые датчики уровня ОВЕН (рис. 3) производятся в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях. Они могут применяться совместно с сигнализаторами уровней ОВЕН САУ и БКК1, а также самостоятельно, управляя исполнительными механизмами через промежуточное реле или контактор.

По режиму работы датчики уровня подразделяются на дискретные сигнализаторы уровня (ПДУ) и уровнемеры для непрерывного измерения уровня (ПДУ-И).

Преимущество поплавковых датчиков ОВЕН:

• простой монтаж; Рис. 4. Применение поплавковых
  датчиков уровня
• наличие взрывозащищенных исполнений;
• температура эксплуатации от –60 до + 125 °C; » применение в закрытых резервуарах при давлении до 4 MПa;
• работа в вязких жидкостях плотностью ≥ 0,66 г/см3 ;
• долгий срок службы;
• низкая цена.

Поплавковые сигнализаторы ПДУ

Для сигнализации уровня используются одно- и двухуровневые датчики с цилиндрическим поплавком ОВЕН ПДУ-1, ПДУ-2, с шарообразным поплавком ПДУ-3 (табл. 3, рис. 4). Готовится к производству трехуровневая модель серии ПДУ-3.

Рис. 5. Принцип действия поплавкого
датчика уровня ПДУ-И

Датчики ПДУ производятся с нормально-разомкнутыми и нормальнозамкнутыми типами контактов. Для подключения к считывающим устройствам датчики снабжены проводами НВ 0,35 или силиконовым кабелем AWG24. Датчики выпускаются с вертикальным и горизонтальным типом монтажа.

Поплавковые датчики с взрывозащитой типа «искробезопасная цепь» 0 Ex ia IIC T4 Х предназначены для эксплуатации на взрывоопасных производствах – в емкостях с взрывоопасными средами. Эксплуатация датчиков во взрывозащищенном исполнении ПДУ-Ех допускается только совместно с искробезопасным оборудованием с маркировкой взрывозащиты [Exia]IIC и выходными искробезопасными цепями с параметрами: U0 ≤ Ui , I0 ≤ Ii , С0 ≥ Ci + СК , L0 ≥ Li + LК (где СК и LК – емкость и индуктивность соединительных кабелей). Искробезопасные параметры ПДУ-Ех приведены в табл. 4.

Поплавковый датчик уровня ПДУ-И

Поплавковый датчик уровня ОВЕН ПДУ-И предназначен для непрерывного преобразования уровня жидкости в унифицированный выходной аналоговый сигнал 4…20 мА (рис. 5). ПДУ-И используются в составе систем контроля уровня жидкости, в том числе в резервуарах под давлением, они рассчитаны на диапазон преобразования до 4000 мм с дискретностью ±10 или ±5 мм.

Принцип действия ПДУ-И: поплавок с постоянным магнитом вместе с уровнем жидкости перемещается по штоку, в котором находится матрица герконов и сопротивлений. Под воздействием магнитного поля происходит срабатывание герконов, цепь замыкается по схеме трехпроводного потенциометра. При изменении уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое преобразуется в выходной сигнал 4…20 мА, пропорциональный уровню жидкости.

Линейка поплавковых датчиков расширяется, готовятся к выпуску: датчик уровня с выходным аналоговым сигналом 4…20 мА во взрывонепроницаемой оболочке; датчик с интерфейсом RS-485. Кроме поплавковых, разрабатывается ультразвуковой датчик уровня ОВЕН УДУ150 с двумя релейными выходами, выходным аналоговым сигналом 4…20 мА и с интерфейсом RS-485.

Применение поплавковых датчиков

Поплавковые датчики уровня ОВЕН имеют все регламентирующие нормативные документы для их применения на промышленных объектах.

Поплавковые датчики могут использоваться в условиях сильной вибрации и волнения жидкости, например, для контроля уровня в транспортных средствах: грузовиках, тепловозах, танкерах. Для устранения влияния вибрации жидкости поплавковый датчик помещают в демпферную трубу диаметром большим размера поплавка.

Датчики ПДУ эксплуатируются на судах, поскольку на них получено свидетельство Российского морского регистра судоходства.

В течение длительного времени датчики применяются на особо ответственных объектах, таких как Мосводоканал, ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», новосибирский водоканал, очистные станции Москвы и области.

Таблица 1. Модификации и основные параметры одноэлектродных датчиков

Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости

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.

Различные виды датчиков уровня

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

Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.

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

Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.

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

Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.

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

Эти сигнализаторы могут измерять как предельное, так и текущее заполнение резервуаров. Их принцип действия продемонстрирован на рисунке 7.

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

Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.

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.

Датчики уровня

Принцип работы

Механические и магнитные поплавковые уровнемеры

Принцип действия основан на замыкании поплавком контактов, расположенных на различных уровнях направляющего стержня. В магнитных поплавковых уровнемерах используются герконы, а в механических – микровыключатели.

Преимущества

• просто
• дёшево.

Недостатки

• контактный метод, при выборе поплавка необходимо учитывать: химическую совместимость со средой, плавучесть, вязкость, плотность и температуру
• не подходит для измерения уровня очень вязкой жидкости, шлама
• а также жидкости, которая прилипает к поплавку и стержню
• или содержит металлические кусочки, которые могут вызвать ложные срабатывания магнитных выключателей.

Магнитострикционные уровнемеры

Это поплавковые уровнемеры непрерывного действия, в которых используются магнитострикционный эффект. Поплавок с постоянным магнитом внутри перемещается вдоль направляющего стержня, в котором натянута проволока из магнитострикционного материала (волновод). В волновод подаются токовые импульсы. В месте расположения магнита (поплавка) при взаимодействии магнитного поля с током, возникают импульсы продольной деформации, которые регистрируются пьезоэлементом вверху стержня. Время прохождения импульса пропорционально расстоянию до поверхности.

Буйковые уровнемеры

На частично погружённый в жидкость буёк действует выталкивающая сила Архимеда, пропорциональная глубине погружения.

Ультразвуковые уровнемеры (Ultrasonic)

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на измерении времени распространения звуковой волны высокой частоты (20-200 кГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения уровня вязких жидкостей и сыпучих материалов.

Недостатки

• звуковой сигнал не может распространяться в вакууме
• на показания оказывают влияние: температура, влажность, давление, турбулентность, пена, пар, изменение концентрации жидкости.

Микроволновые радарные уровнемеры (Radar)

Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения электромагнитной волны (радиоволны) сверхвысокой частоты (1-30 ГГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Радары подходят для использования во влажной, туманной и пыльной среде, а также при переменной температуре.

Импульсный метод – измерение времени прохождения импульса до поверхности и обратно – очень сложно реализовать, т.к. это время измеряется в наносекундах.

Более распространён способ непрерывного линейного частотного модулирования радиосигнала — FMCW (Frequency Modulated Continuous-Wave). При этом способе излученный и отражённый сигналы смешиваются, и образуется сигнал, частота которого равна разности частот этих сигналов. Эта разность пропорциональна расстоянию от антенны до поверхности.

Преимущества

• радиоволны могут распространяться и в вакууме, на них не влияет температура, давление, влажность и пыль.

Недостатки

• электромагнитные волны поглощаются (не отражаются) диэлектриками (пластмасса, стекло, бумага и т.д.)
• высокая цена (чем выше частота, тем точнее измерения и тем дороже).

Гидростатическое измерение уровня

Используется зависимость давления столба жидкости от уровня. Давление столба жидкости измеряется с помощью дифференциальных датчиков давления — один датчик измеряет давление на дне резервуара, а другой – давление над поверхностью жидкости.

Емкостные уровнемеры (Capacitance)

В резервуар опускается конденсатор, представляющий собой длинную трубку с металлическим стержнем внутри. Вместе с резервуаром заполняется и трубка — из-за разной диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха ёмкость конденсатора изменяется пропорционально уровню.

В качестве опорного электрода (внешних обкладок конденсатора) могут использоваться стенки резервуара.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Используются для контроля уровня в проводящих жидкостях. В резервуар опускается пара электродов, и как только уровень повышается так, что электроды оказываются погружёнными в жидкость – уменьшается сопротивление между электродами и срабатывает выключатель. Для контроля нескольких уровней используются несколько пар электродов разной длины.

Вибрационные сигнализаторы уровня (Vibrating Switch)

Применяются для сигнализации уровня жидких и сыпучих веществ. Используется эффект камертона – в резонаторе, имеющем форму вилки, пьезоэлектрическим способом возбуждаются механические резонансные колебания, которые затухают и гасятся при погружении резонатора в сыпучее вещество.

Как выбрать

Измеряемая среда

• Измеряемая среда (жидкость, шлам, ил, сыпучее и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Электрическая проводимость
• Плотность
• Вязкость
• Диэлектрическая проницаемость
• Прилипает к зонду
• Содержит металлические включения
• Есть пена на поверхности.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Технология

• Хранение
  • жидкости
  • сыпучего вещества
• Сепарация (определение уровня разделения несмешивающихся жидкостей)
• Процесс (перемешивание, нагрев)
• Реактор (химический процесс)
• Измерение уровня
  • Непрерывное
  • Дискретное (сигнализация уровня), количество уровней
• Способ измерения уровня
  • Контактный:
    • поплавковый
    • буйковый
    • емкостной
    • гидростатический
  • Бесконтактный:
    • радарный
    • ультразвуковой
    • радиоактивный
• Конструкция резервуара
  • Наличие оборудования в ёмкости (циркуляционный насос, мешалка, нагреватель и т.п.)
  • Размеры
  • Материал
  • Верх (открытый, форма крышки)
  • Форма дна
  • Расположение входных и выходных труб
  • Место установки датчика, присоединение (фланцевое, врезное).

  Измерение

  • Диапазон измерения уровня
  • Погрешность измерения.

  Преобразователь

  • Питание
  • Индикатор
  • Место установки
  • Кабельный ввод
  • Выходной сигнал:
    • Токовый 4..20 мА
    • Релейный выход
    • Полевая шина:
      • HART
      • PROFIBUS PA
      • Foundation Fieldbus.