Где используются датчики уровня

Устройство и принцип работы датчиков уровня

Какие датчики уровня наиболее точны. Какие могут использоваться для в агрессивных средах. Устройство, принцип действия различных датчиков уровня. В чем у каждого из них преимущество и недостатки.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Датчики перемещения (индуктивный, оптический, емкостной и другие типы)» или «Виды анемометров».

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

По принципу действия датчики уровня могут быть:

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

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

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

С – Общая ёмкость конденсатора
С₀ – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость
С_l – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость
ε₀ – Диэлектрическая проницаемость газовой среды
ε_l – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды
G₀ – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость
G_l – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость

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

Рисунок 1. Общая схема емкостного датчика уровня

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

Поплавковый датчик уровня

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

Дискретные поплавковые датчики уровня

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

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

Рисунок 2. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

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

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

Магнитострикционные поплавковые датчики

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

Рисунок 3. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

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

Радарный датчик уровня

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

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

Рисунок 4. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа

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

Отсутствие подвижных элементов
Отсутствие контакта с жидкой средой
Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях
Высокая точность
Возможность адаптировать алгоритм обработки данных для конкретных применений

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

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

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

Гидростатический датчик уровня

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

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

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

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Источник

ДАТЧИК УРОВНЯ ВОДЫ И ДРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ

Отслеживание уровня воды и аналогичных жидкостей осуществляется с помощью приборов с разным типом и функционалом. Выбор конкретного варианта делают исходя из поставленных задач, внешних условий и свойств рабочей жидкости.

Во избежание ошибок и лишних трат подбор и монтаж датчиков производственного и общественного назначения доверяют специалистам. Датчики для индивидуального пользования без проблем выбираются и устанавливаются самостоятельно.

Данная группа для измерения уровня воды или других жидкостей представлена приборами с абсолютно разным принципом работы.

Эти устройства могут быть механическими, электронными, магнитными, оптическими, гидростатическими или локационными.

Они устанавливаются в местах с затруднительным или отсутствующим доступом к воде или при наличии угрозы безопасности при прямом измерении.

Простейшие датчики уровня работали за счет базовых законов физики (силы выталкивания или разницы в электропроводности разнородных сред). Современные разновидности пригодны для решения самых разных задач, включая:

онлайн мониторинг фактического уровня воды;
оповещение о достижении предельных или заданных значений уровня жидкости;
измерение и расчет объема рабочей жидкости в емкостях со сложной формой или скорости ее расхода;
хранение, накопление и обработку результатов.

Исходя из функционального назначения все датчики уровня воды делятся на уровнемеры и сигнализаторы. Первые устанавливаются с целью непрерывного мониторинга этого параметра и преобразовывают его значение в аналоговый или цифровой сигнал.

Вторые задействуются при необходимости получения сигнала или команды о достижении определенного значения уровня жидкости в емкости.

ВИДЫ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

В зависимости от способа контакта с жидкой средой все датчики этого типа разделяются на:

контактные;
бесконтактные.

Вторая группа более ограничена и представлена высокотехнологичными радарными микроволновыми уровнемерами и ультразвуковыми датчиками обоих типов.

Микроволновые радарные уровнемеры в свою очередь разделяются на приборы с разным принципом действия (контроль импульсов или FMCV локация), рабочим диапазоном и частотой излучения. Эти уровнемеры признаны самыми совершенными, единственным ограничением их применения считается высокая цена.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров и сигнализаторов основан на анализе времени распространения импульсов от сенсора-излучателя до жидкой среды. К преимуществам приборов этой группы относят экономичность, компактность и неприхотливость, в целом их характеристики считаются универсальными.

Сфера применения ультразвуковых разновидностей ограничена водой и другими жидкостями, для измерения уровня сыпучих веществ они не подходят. К учитываемым особенностям этих устройств также относят потребность в компенсации некоторых внешних влияний (ветра, наличия пенного слоя).

Контактные датчики более распространены и многообразны. В зависимости от принципа действия эта группа условно разделяется на:

емкостные и кондуктометрические разновидности, имеющие схожий принцип работы и определяющие уровень по изменению емкости среды и показателей сопротивления соответственно;
поплавковые измерители в свою очередь разделяемые на простые механические и усовершенствованные герконовые;
гидростатические уровнемеры и сигнализаторы, используемые при отслеживании уровня воды и жидкостей с постоянной плотностью при давлении внешней среды не выше атмосферного;
оптические электронные сигнализаторы предельного уровня, отслеживающие это значение за счет изменения отражательной способности воды;
вибрационные устройства, отслеживающие достижение определенного уровня за счет анализа изменений амплитуды колебаний чувствительного элемента.

Поплавковые механические датчики имеют самый простой принцип работы (контакты замыкаются при выталкивании поплавка рабочей жидкостью). Устройства этой группы ценятся за надежность и доступность, но из-за срабатывания исключительно при достижении определенного предела их возможности ограничены.

Герконовые (они же магнитно-поплавковые) датчики этих недостатков лишены, контакты их чувствительных элементов могут замыкаться по мере приближения магнита. Все поплавковые разновидности не нуждаются в сложном монтаже и обходятся дешево, но в клейких и динамичных средах они малополезны.

Емкостные датчики оснащаются специальными электродами, образующими с корпусом примитивный конденсатор. Их используют для мониторинга уровня воды и любых не вспенивающихся и не набрызгивающихся на зонд жидкостей (исключение – емкостные радиочастотные виды).

Кондуктометрические разновидности датчиков уровня жидкости оснащаются жесткими стержнями или гибкими тросовыми электродами. Функции общего электрода у них выполняют металлические стенки рабочего резервуара или контрольные стержни.

Замыкание реле происходит при контакте рабочего элемента с пищевой или технической водой, напитками, растворами солей или щелочей и стоками. Их преимущества и недостатки во многом схожи с емкостными, но длину их электродов легче менять. В отличие от емкостных разновидностей кондуктометрических принцип реализуется исключительно в сигнализаторах.

Гидростатические разновидности имеет широкую сферу применения и ценятся за надежность и неприхотливость. В частности, с их помощью отслеживается уровень воды в скважинах (безальтернативное применение), контролируется давление в насосных и котельных и работа оросительных установок.

Но из-за риска получения некорректных результатов их не рекомендуют использовать для отслеживания уровня растворов с переменной плотностью.

Оптические электронные датчики используются в качестве альтернативы герконовым при отслеживании уровня воды в резервуарах, находящихся под вибрацией.

Они ценятся за компактность и возможность получения независимых от внешних факторов результатов. Из-за дороговизны, ограничений в объеме резервуаров и потребности в профессиональном монтаже они используются реже остальных.

Вибрационные сигнализаторы срабатывают при изменении вибрации вилочковых чувствительных элементов. Такие приборы имеют средние показатели точности и экономичности и хорошо себя проявляют при работе с пенными и вязкими средами. Вибрационные сигнализаторы не имеют эксплуатационных недостатков, но для постоянного мониторинга или выдачи сверхточных результатов они не предназначены.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА

Сфера применения распространяется на воду и водные растворы, нефтепродукты и смазочные материалы, пищевые напитки и стоки. При достаточной защищенности корпуса или бесконтактном замере такие датчики отслеживают уровень щелочей, кислот и вязких сред, включая агрессивные. Один и тот же тип датчика при этом может использоваться для разных целей.

В частности, при работе с водой и любыми невязкими жидкостями отличные результаты обеспечивают ультразвуковые, поплавковые, вибрационные, оптические, емкостные и гидростатические сигнализаторы и уровнемеры. При работе с растворами кислот предпочтение отдается емкостным, вибрационным и герконовым датчикам. Для контроля пенных или липких сред лучше всего подходят емкостные радиочастотные приборы. При высокой вязкости рабочей среды помимо них стоит использовать вибрационные или ультразвуковые бесконтактные разновидности.

При подборе конкретного прибора последовательно учитывается:

состав и физико-химические параметры рабочей жидкости;
объем, форма и материал стенок резервуаров (некоторые датчики требуют врезки в стенки, что не всегда допустимо);
потребность в постоянном мониторинге или допустимость использования сигналов о достижении предельных значений;
коммутационные и интеграционные возможности приборов, требования к монтажу и обслуживанию.

При выборе датчиков для бытовых целей предпочтение отдается энергонезависимым, неприхотливым, надежным и долговечным устройствам. Большинство частных задач (отслеживание уровня воды насоса, колодца, бассейна) решает поплавковый кабельный датчик.

При необходимости постоянного контроля уровня воды в скважине устанавливаются гидростатические уровнемеры или сигнализаторы. Остальные разновидности использовать для этих целей нецелесообразно.

Источник