Контроль уровня жидкости в сосуде
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.
Источник
Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями.
Хранят жидкости в различных емкостях, и для непрерывного контроля и измерения уровня жидкостей в различных емкостях, можно применять следующие уровнемеры. Уровнемеры будут непрерывно контролировать уровень жидкости в емкости и с помощью выходного сигнала 4-20 мА передавать его на контроллер АСУТП или на любой вторичный прибор, на котором будет отображаться уровень жидкости в емкости в режиме реального времени. Для отображения данной информации можно использовать щитовой индикатор или видеографический регистратор.
Радарный уровнемер Pilotrek
- Диапазон измерения до 23 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 3 мм
Радарный уровнемер Pilotrek
Ультразвуковой уровнемер Easytrek
- Диапазон измерения до 25 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 10 мм
Ультразвуковой уровнемер Easytrek
Микроволновый уровнемер Microtrek
- Диапазон измерения до 24 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 5 мм
Микроволновый уровнемер Microtrek
Емкостной уровнемер Nivocap
- Диапазон измерения до 20 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 10 мм
Емкостной уровнемер Nivocap
Гидростатический уровнемер Nivopress D
- Диапазон измерения до 40 МПа
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 10 мм
Гидростатический уровнемер Nivopress D
Скважинный уровнемер Nivopress N
- Диапазон измерения до 200 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 10 мм
Скважинный уровнемер Nivopress N
Магнитострикционный уровнемер Nivotrack
- Диапазон измерения до 15 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 1 мм
Магнитострикционный уровнемер Nivotrack
Поплавковый магнитный указатель уровня с байпасной камерой Nivoflip
- Диапазон измерения до 5,5 метров
- Аналоговый выходной сигнал 4-20 мА
- Точность измерения от ± 10 мм
Байпасный уровнемер NivoFLIP
Для сигнализации о переполнении или опустошении емкостей с жидкостями, можно использовать следующие сигнализаторы уровня. Сигнализатор уровня при достижении определенной точки срабатывания, будет замыкать или размыкать реле, которое будет заведено на механизм, который будет отключать или включать подачу жидкости в емкость, или предупреждать звуковым сигналом.
Магнитный поплавковый сигнализатор уровня Nivopoint
- Длина контактной части до 3 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 150 С
Магнитный поплавковый сигнализатор уровня Nivopoint
Магнитный сигнализатор уровня Nivomag
- Длина контактной части до 3 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 150 С
Магнитный сигнализатор уровня Nivomag
Поплавковый сигнализатор уровня Nivofloat
- Длина кабеля до 20 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 50 С
Поплавковый сигнализатор уровня Nivofloat
Емкостной сигнализатор уровня Nivocap CK
- Длина контактной части до 10 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 235 С
Емкостной сигнализатор уровня Nivocap CK
Вибрационный сигнализатор уровня Nivoswitch
- Длина контактной части до 3 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 130 С
Вибрационный сигнализатор уровня Nivoswitch
Кондуктивный сигнализатор уровня Nivocont K
- Длина контактной части до 3 метров
- Сигнализация о переполнении или опустошении емкости по средством реле
- Температура измеряемой среды до 200 С
Кондуктивный сигнализатор уровня Nivocont K
Источник
Для измерения уровня жидкостей применяются специальные средства измерений – уровнемеры. Многообразие типов уровнемеров, принцип действия которых основан на различных физических методах, объясняется разнообразием свойств измеряемых жидкостей.
Наибольшее распространение получили следующие виды уровнемеров:
1. Уровнемеры с визуальным отсчетом;
2. Буйковые и поплавковые уровнемеры;
3. Гидростанические уровнемеры;
4. Пьезометрические уровнемеры;
5. Дифманометрические уровнемеры;
6. Радиоактивные уровнемеры;
7. Акустические и ультразвуковые уровнемеры;
8. Емкостные уровнемеры.
Уровнемер с визуальным отсчетом — уровнемер, основанный на визуальном измерении высоты уровня жидкости. Уровень жидкости измеряют в стеклянной трубке, сообщающейся с контролируемым сосудом в нижней, а иногда и в верхней части, или же при помощи прозрачной вставки, помещенной в стенке контролируемого сосуда, например, барабанно-парового котла
Буйковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения буйка или силы гидростатического давления, действующей на буек (силы Архимеда).
Буек в отличие от поплавка не плавает на поверхности жидкости, а погружен в жидкость и перемещается в зависимости от ее уровня.
Буйковые уровнемеры наиболее часто применяются для измерения уровня однородных, в том числе агрессивных, жидкостей, находящихся при высоких рабочих давлениях (до 32 МПа), широком диапазоне температур (от –200 до +600 °С) и не обладающих свойствами адгезии (прилипания) к буйкам.
Главной особенностью буйковых уровнемеров является возможность измерения уровня границы раздела двух жидкостей.
Недостатком буйковых уровнемеров являются зависимость их точности от плотности и температуры измеряемой среды, ограниченность использования для больших (свыше 16 м) диапазонов измерения уровней жидкостей и жидкостей, обладающих адгезией к буйку.
Пьезометрический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на преобразовании гидростатического давления жидкости в давление воздуха, подаваемого от постороннего источника и барботирующего через слой жидкости.
У этого уровнемера чувствительный элемент не находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, а воспринимает гидростатическое давление через воздух, что является его достоинством.
Для пьезометрических уровнемеров также характерна погрешность измерения из-за изменения плотности измеряемой среды.
Гидростатический уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении манометром или напоромером гидростатического давления жидкости, зависящего от высоты ее уровня.
Уровнемеры этого вида обычно используют для измерения неагрессивных, незагрязненных жидкостей, находящихся под атмосферным давлением.
Для измерения уровней агрессивных сред используют специальные разделительные устройства.
Недостатком гидростатических уровнемеров является погрешность измерения при изменении плотности жидкости.
Поплавковый уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на измерении перемещения поплавка, плавающего на поверхности жидкости (поплавок как бы отслеживает уровень жидкости).
Поплавковые уровнемеры не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой.
При измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.
Наиболее часто поплавковые уровнемеры используют для измерения уровней в больших открытых резервуарах, а также в закрытых резервуарах с низким давлением.
Применение магнитной связи для передачи перемещения поплавка позволяет герметизировать вывод передачи в измерительный блок, упростить конструкцию, повысить надежность, измерять уровень в резервуарах под давлением.
Дифманометрический уровнемер — гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление измеряют при помощи дифференциального манометра. Часто используется для измерения уровня в емкостях под избыточным давлением.
Акустический уровнемер — уровнемер, основанный на зависимости интенсивности поглощения или времени распространения акустических колебаний от высоты уровня жидкости или сыпучего вещества
Ультразвуковой уровнемер — акустический уровнемер, работающий на звуковых колебаниях высокой частоты
Емкостной уровнемер – уровнемер, принцип действия которого основан на различии диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха.
В связи с этим по мере погружения электродов датчика уровнемера в жидкость изменяется емкость между ними пропорционально уровню жидкости в резервуаре.
Остановимся на некоторых типах уровнемеров подробней.
Уровнемеры буйковые
Настройка уровнемеров на заданные пределы измерения проводится с помощью грузов путем имитации гидростатической выталкивающей силы, соответствующей верхнему пределу измерений.
Расчетное значение давления, соответствующее верхнему пределу измерений,
Расчет массы грузов для буйковых уровнемеров:
для жидкости
для раздела фаз
где d – диаметр буйка испытываемого уровнемера, см; Hmax – верхний предел измерения уровня жидкости, см; ρж – плотность измеряемой жидкости, г/см3; ρ н.ж, ρ в.ж — плотности соответственно нижней и верхней измеряемой жидкости в случае измерения уровня раздела фаз, г/см3.
Пьезометрические уровнемеры.
В пьезометрических системах измерения уровня для продувания через трубку помещенную в жидкость, дозированного расхода воздуха. Принцип действия этого регулятора основан на автоматическом поддержании постоянного перепада давления на дросселе, в результате чего обеспечивается постоянный расход воздуха через этот дроссель.
Принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня в открытом резервуаре представлена на рисунке 2, а, б, в, г.
На рисунке 2, д показана принципиальная пьезометрическая схема измерения уровня жидкости в резервуаре, находящемся под давлением. Для исключения влияния давления в резервуаре на показания прибора, измеряющего уровень жидкости, применяется дифференциальный метод измерения с двумя регуляторами расхода. От одного регулятора расхода воздух подается в пьезометрическую трубку, от другого в верхнюю часть резервуара над жидкостью. Разность давлений в трубках, пропорциональная уровню жидкости, измеряется дифманометром.
В системах измерения нижний конец пьезотрубки должен находится на нижнем контролируемом уровне жидкости, но не ниже 80 мм от дна резервуара.
Расход воздуха устанавливается минимальным, чтобы перепад давления на пьезотрубке был возможно меньшим, так как это определяет погрешность измерения пьезометрическим методом.
Минимальный расход воздуха обеспечивается постоянным, без запаздывания, выходом воздуха из пьезометрической трубки при изменениях уровня. Обычно расход воздуха принимается равным 0,1 – 0,2 м3/ч.
Если пренебречь перепадом давления на пьезометрической трубке, то уровень в резервуаре
где Р – давление на манометре М или перепад давления на дифманометре; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
В случае, когда измеряется уровень в резервуаре, находящемся под избыточным давлением, давление питания регулятора расхода воздуха, подающего воздух в пьезотрубку, должно быть:
где Ризб – избыточное давление, кПа; Нмаксρg – максимальное гидростатическое давление столба жидкости, кПа.
Рисунок 2. Обвязка пьезометрических уровнемеров.
На рисунке 2, е показан пример обвязки и монтажа пьезометрического уровнемера с подачей промывочной воды в защитную трубу. В этом случае защищается от «обрастания» нижний конец пьезотрубки, который оказывается в зоне промывочной воды и не контактирует с измеряемой жидкостью.
Гидростатические датчики уровня.
Схемы обвязки и работы гидростатических датчиков уровня представлены на рисунке 3, причем правая обвязка применяется при измерении уровня жидкости в емкости, находящейся под избыточным давлением.
Рисунок 3. Обвязка гидростатических уровнемеров.
В этом случае импульсная трубка, идущая к минусовой полости чувствительного элемента, прокладывается от места отбора давления с уклоном в верх, а в нижней части устанавливаются отстойный сосуд и разделитель мембранный РМ.
Рисунок 4. Измерение уровня в котле (100% — 4 мА/0,2 кгс/см2, 0% — 20 мА/1 кгс/см2)
Очень хорошо себя показал данный принцип измерения уровня на очень сложной позиции при измерении уровня воды в котле (рисунок 4). Обвязка при этом не классическая, а на оборот т.е. на плюсовой отбор подается отбор с верней точки котла (импульсная трубка при этом должна быть заполнена водой), на минус с нижней, и задается обратная шкала прибора (на самом приборе или вторичном оборудовании).
Источник