Датчики уровня: принципы работы и сферы применения

Содержание:

Что такое датчик уровня
Принцип работы датчика уровня воды
Классификация датчиков уровня по взаимодействию со средой
- Контактные датчики уровня
- Бесконтактные датчики уровня
Виды датчиков уровня
Сравнительные характеристики датчиков уровня
Рекомендации по выбору датчика уровня

Автоматизация технологических процессов требует все большего контроля за эффективностью и безопасностью производства. Датчик уровня — это прибор, который используют для измерения количества жидких и сыпучих веществ в режиме действительного времени. Он показывает текущий объем в резервуаре, а также сигнализируют о понижении или превышении предельных значений уровня.

Что такое датчик уровня

Датчик уровня представляет собой измерительное устройство для определения объема жидкого или сыпучего вещества, а также газа в трубопроводах, емкостях, хранилищах. Метод работы основан на изменении параметров среды и переносе этих сигналов в электрический импульс для мониторинга, запуска процесса или аварийного отключения оборудования. Отклонения от установленных параметров действия могут привести к аварийным ситуациям или поломке оборудования.

По сфере применения приборы делятся на датчики уровня для жидкостей и для сыпучих сред.

В датчиках контактного вида чувствительный элемент помещается непосредственно в измеряемое вещество. Бесконтактные датчики уровня находятся снаружи корпуса или в верхней части емкости, подходят для опасных и агрессивных жидкостей, а также труднодоступных мест.

Функционально датчики уровня бывают:

уровнемеры — для непрерывного измерения количества и объема;
сигнализаторы — для отслеживания минимального или максимального уровня и подачи сигнала о достижении предельного значения.

Датчики уровня измеряют вертикальный столб жидкости. Базовая линия расчета уровня может находиться на плоскости дна емкости, тогда проводится измерение высоты заполненного объема. Если происходит измерение незанятого места и базовая линия определена выше уровня вещества, то такой способ называется измерением свободного пространства в резервуаре над поверхностью жидкости.

Принцип работы датчика уровня воды

Принципы работы датчика уровня жидкости основаны на фиксации изменений значений определенных физических явлений: давления, вибрации, преломления света, звука или емкости. Чувствительная часть прибора реагирует на приближение или соприкосновение с анализируемой средой. Затем полученный сигнал преобразуется в электрический ток и передается в блок управления. Данные интерпретируются для контроля или принятия решения.

Стандартные компоненты датчика уровня:

Измерительная часть — чувствительный элемент, который напрямую направлен на анализируемую среду. В зависимости от технологии измерения: поплавок, антенна, зонд, излучатель.
Преобразующий модуль — модифицирует полученные показатели в электрический сигнал.
Канал передачи информации в систему управления. Представляет собой радиоканал, дискретный сигнал, аналоговый выход.
Защитный корпус предохраняет конструкцию от различных воздействий, пыли, влаги. Изготавливается из материалов, невосприимчивых к измеряемой среде или окружающим условиям.
Питание от сети или батареи.
Сервисные элементы: дисплей, контроль диапазона, тип сигнала, защита от перегрузок.

Классификация датчиков уровня по взаимодействию со средой

Датчики уровня по характеру взаимодействия со средой делятся на две основные группы: контактные и бесконтактные датчики.

Контактные датчики уровня

Эти уровнемеры напрямую соприкасаются с измеряемой жидкостью, газом или сыпучими субстанциями. Зонд либо сенсор находятся внутри емкости и фиксируют колебания уровня вещества. Этот способ дает точность и надежность измерений, главное условие — совместимость материалов датчика с качествами среды и защита от механических ударов.

Контактные датчики уровня отлично зарекомендовали себя при работе в открытых и закрытых емкостях, стабильно работают в местах, где невозможно применить бесконтактные приборы. Способны решать промышленные и бытовые задачи.

В классическую комплектацию контактных датчиков входят измерительный элемент, блок преобразования сигнала, кабель и защитный корпус.

Бесконтактные датчики уровня

Датчики с бесконтактным методом измерения не взаимодействуют напрямую с измеряемой жидкостью. Принцип работы основан на контроле расстояния до поверхности через применение световых, звуковых или радиоволн.

Бесконтактные датчики уровня идеально подходят для мониторинга агрессивных, ядовитых, вредных, загрязненных или труднодостижимых сред. Часто задействованы в химической и пищевой промышленности из-за высоких требований к санитарным нормам.

Стандартный комплект бесконтактного датчика уровня состоит из сенсора, электронного блока, кабеля передачи данных, крепежной детали.

Виды датчиков уровня

Датчики уровня выпускаются в широком диапазоне конструкций, от простых механических приборов до высокоточных систем с мгновенным реагированием на среду. Разнообразие характеристик датчиков уровня дает возможность подобрать устройство под любую сферу применения и условия использования. Потребитель может выбрать из обширного ассортимента датчиков уровня оптимальный вариант под свою конкретную задачу независимо от масштаба производства и схемы подключения.

Рассмотрим самые распространенные типы датчиков уровня.

Поплавковые датчики уровня

Поплавковые датчики уровня опираются на принцип поплавка, который находится на поверхности жидкости и вместе с ней передвигается вверх и вниз. Измерительный элемент передает данные на отображающий дисплей или другое устройство через рычажный механизм или магнитную связь. Сам поплавок изготавливается из материалов, невосприимчивых к коррозии: пластик, полиуретан, нержавеющая сталь.

Поплавковые датчики измеряют уровень воды в открытых емкостях, колодцах, скважинах, каналах водоснабжения. Химическая и нефтеперерабатывающая промышленность используют подобные устройства для контроля масел и других не особо вязких жидкостей.

Среди несомненных преимуществ поплавковых датчиков — простая конструкция, надежность в эксплуатации, доступная стоимость, широкая шкала рабочих температур и быстрая настройка.

В качестве ограничений отметим, что эти приборы работают только в чистой среде без твердых частиц. Подвижные части датчика уровня требуют регулярного технического осмотра.

Гидростатические датчики уровня

Гидростатические датчики уровня используют в своей работе закон Паскаля. Зонд погружается в жидкость на известную глубину. Прибор фиксирует давление водяного столба и пересчитывает его в выходное значение на основе плотности среды.

Гидростатические датчики крепятся к стене или дну емкости, погружные модели опускаются на тросе. Точность показателей в пределах 2-5 мм сохраняется на глубине до 250 м.

Измерительные устройства стабильно служат в системах водоотведения, нефтяной промышленности, химическом производстве. Достоинствами являются компактность, низкая стоимость, долговечность и устойчивость к высокому давлению.

Погружные датчики изготавливаются из устойчивых к агрессивному влиянию материалов в виде керамики или поливинилхлорида. Такой корпус обеспечивает постоянство и правильность значений прибора в узких скважинах и резервуарах.

Отдельными преимуществами для промышленности признаны низкое энергопотребление, устойчивая работа в трудных местах, нейтральность от свойств жидкостей, простое обслуживание.

Радарные датчики уровня

Радарные датчики уровня — современные технологичные приборы для работы с жидкими и сыпучими веществами. Бесконтактные датчики используют принцип излучения микроволн и записывают время прохождения сигнала от излучателя до объекта и обратно. Обладают высокой точностью и стабильностью измерений.

Микроволновые датчики уровня могут работать с агрессивными, взрывчатыми и нейтральными средами, не подвержены влиянию температуры и давления, измеряют вещества с паром и пеной, способны функционировать в вакууме. Высоко ценятся в фармацевтической, химической и нефтяной отраслях за стабильность показаний.

Важным качеством радарных датчиков является бесконтактный метод, что обеспечивает наивысшую точность измерений и индифферентность к контролируемой среде. Отсутствие износа измерительного элемента гарантирует долгий срок службы. Монтаж в верхней части резервуара обеспечивает простоту обслуживания.

Ультразвуковые датчики уровня

Ультразвуковые датчики уровня подобно эхолоту измеряют время прохождения волны от источника сигнала до линии жидкости и обратно. Устройства надежны в разнообразных условиях, могут корректировать сигналы при различных температурах, обеспечивают точность показаний от 3 до 10 мм.

Приборы экономически выгодны и популярны во многих областях промышленности. Успешно работают с кислотами, нефтью, щелочами, вязкими жидкостями. Показания датчика не меняются от физических свойств измеряемой среды, химического состава, электропроводности и плотности.

Ультразвуковые датчики устанавливают в сельском хозяйстве, пищевой и медицинской промышленности, применяют для наблюдения за жидкостями в емкостях отраслей химии и нефтепереработки. Применяются в складском хозяйстве нефтепродуктов и системах водоснабжения. Есть модификации с работой от батарей, что увеличивает сферу применения ультразвуковых датчиков уровня.

Вместе с этим требуется учитывать ряд факторов, которые могут повлиять на стабильность работы. Ультразвуковые волны затухают на больших расстояниях, загрязненность, влажность и большая температура могут вносить погрешности в измерения. Эти датчики не применимы в вакууме, так как в нем не проходит звук. Ультразвук может некорректно работать для контроля сыпучих материалов в связи с неровностью поверхности и пылью в воздухе.

Емкостные датчики уровня

Емкостные датчики уровня используют принцип колебания емкости конденсатора в зависимости от диэлектрических свойств среды. Устройства отличаются надежностью в сложных условиях и применяются для жидких и сыпучих продуктов во многих промышленных производствах.

Разнообразие конструкций и множественность измеряемых сред распространили применение емкостных датчиков уровня на схеме большого перечня отраслей. Среди сфер использования: металлургия, горнообогатительные предприятия, пищевые и фармацевтические производства, сельское хозяйство, коммунальные и жилищные системы.

Отсутствие в конструкции емкостного датчика подвижных деталей и электронных частей дает возможность применения прибора при температурах до +800⁰С и давлением до 75 бар. Устройства хорошо зарекомендовали себя в условиях конденсата и запыленности, но их применение затруднено для объектов с малой диэлектрической проницаемостью.

Кондуктометрические датчики уровня

Для измерения уровня воды и ее растворов часто востребованы кондуктометрические датчики уровня, которые используют принципы электропроводимости среды. Использование сравнения электрической проводимости анализируемой среды и воздуха делает подобные датчики очень простыми и доступными способами контроля. Приборы работают в металлических и неметаллических емкостях.

Основные сферы применения кондуктометрических датчиков уровня: вода, водные растворы, технические жидкости, соки и разные напитки. Эти устройства не подходят для растворителей, масел и нефтепродуктов. Используются в качестве контроля резервуаров противопожарной и питьевой воды.

В качестве отличительных достоинств кондуктометрических датчиков отмечаются надежность измерений, простота эксплуатации, стабильность фиксации прибора, низкая стоимость. Могут использоваться электроды длиной от малых размеров до нескольких метров. Прибор дает точные измерения при температурах от -20 до +100⁰С.

Вибрационные датчики уровня

Специально для сыпучих продуктов были созданы вибрационные датчики уровня. Они помещаются в силосах, бункерах и иных резервуарах. Работа датчиков базируется на принципе изменения частоты и амплитуды колебаний измерительного сенсора при столкновении с рыхлым материалом.

Датчик состоит из чувствительной детали в виде штыря или вилки и электронного блока для принятия сигнала. Само устройство работает как камертон, выходной сигнал появляется на светодиодном индикаторе.

Уникальные свойства вибрационных датчиков уровня востребованы для контроля пищевых продуктов: зерно, мука, крахмал, сухое молоко и им подобные. Приборы также успешно работают с нерастительными и различными строительными веществами: гравий, песок, цемент, смеси, порошки. В промышленности датчики помогают следить за уровнем наполнения производственных емкостей, нахождением заторов, контролируют насосы и конвейеры.

Вибрационные сигнализаторы отличаются широким выбором конструкций и размеров, унифицированными выходами и напряжением питания, простой интеграцией в автоматизированные системы. Эти достоинства дают большое поле для применения датчиков.

Сравнительные характеристики датчиков уровня

Тип датчика	Измеряемая среда	Сфера применения	Преимущество
Поплавковый	Вода, масло, чистые жидкости	ЖКХ, водоснабжение, скважины, бытовые системы	Стабильная работа, простая конструкция, низкая стоимость
Гидростатический	Однородные нейтральные и агрессивные жидкости	Нефтяная и, химическая промышленность, системы водоотведения	Компактность, работа на глубине до 250 м, долговечность
Радарный	Продукты нефтехимической отрасли, агрессивные жидкости, сыпучие вещества	Фармацевтическая, пищевая, химическая, нефтяная отрасли	Высокая точность и стабильность измерений
Ультразвуковой	Кислоты, щелочи, нефть, жидкости	Пищевое производство, фармацевтика, сельское хозяйство	Простая установка, доступная цена, бесконтактный метод
Емкостной	Жидкости, вязкие субстанции, сыпучие порошки	Металлургия, пищевая, фармацевтика, ЖКХ, сельское хозяйство,	Высокие температуры и давление, жидкие и сыпучие вещества
Кондуктометрический	Вода и водные растворы	Пищевая промышленность, водоочистка, хранение воды	Низкая стоимость, простота установки
Вибрационный	Сыпучие материалы, пищевые продукты, строительные смеси: цемент, песок, порошки	Строительство, сельское хозяйство, промышленность, пищевая отрасль	Надежная работа с сыпучими фракциями