Датчики уровня

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь Учреждение образования

«Белорусский государственный аграрный технический университет»

Кафедра ОНИП РЕФЕРАТ на тему

«Датчики уровня»

Минск 2012

Общие положения Датчики уровня являются современными элементами автоматики и предназначены для применения в системах управления, контролирующих наполнение и поддержание уровней в резервуарах с различными жидкостями, сыпучими веществами, газом.

Датчики уровня можно разделить по назначению на:

датчики уровня жидкости (датчики уровня воды)

для сыпучих веществ.

Датчики уровня воды предназначены для контроля уровня жидкостей в различных резервуарах. В зависимости от типа приложения, где используется датчик уровня жидкости, применяются контактный или бесконтактный метод измерений. При контактном измерении (датчики поплавкового типа) датчик уровня воды располагается непосредственно на стенке резервуара и переключает контакты при достижении водой уровня его размещения.

Датчики уровня для сыпучих материалов предназначены для контроля предельного уровня пыли в бункере (емкости). Датчик уровня для сыпучих материалов устанавливается непосредственно на стенку бункера. Как только уровень пыли достигает пластины, установленной на валу, вращение вала прекращается и выдаётся сигнал о достижении заданного уровня.

По принципу измерения уровня датчики уровня делятся на: поплавковые (мини, одноуровневые, многоуровневые, гибкие), лопастные, вибрационные, емкостные, сквозные, давления, потока, оптические, датчики скорости вращения, ультразвуковые и т. д.

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=С0+Сl=е0*G0+еl*Gl (1)

С — общая ёмкость конденсатора С0 — емкость участка конденсатора, не содержащего жидкость Сl — емкость участка конденсатора, содержащего жидкость е0 — диэлектрическая проницаемость газовой среды

еl — диэлектрическая проницаемость жидкой среды

G0 — геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость

Gl — 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.

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.

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

Рисунок 1 — Общая схема емкостного датчика уровня

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае — емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;

отсутствие контактов (в некоторых случаях — один токосъем);

долгий срок эксплуатации;

потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

высокие требования к экранировке деталей;

необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Сегодня на разработке емкостных и поплавковых датчиков уровня специализируется компания «ТЕКО».

Рисунок 2 — Датчик уровня типа CSN EC50S8

В частности CSN EC50S8 сегодня активно применяется в процессе производства молока.

Один из способов применения данного датчика — контроль максимального и минимального уровня молока в танках, автоматическое отключение насоса при достижении крайней отметки и фиксирование минимального уровня молока в емкости, то есть опустошения танка.

Ранее для решения данной технической задачи использовались дорогостоящие кондуктометрические датчики иностранного производства. Простые, более выгодные с точки зрения цены и надежные емкостные датчики отечественного производства послужили достойной заменой.

Очень важной в данном случае оказалась опция датчика CSN EC50S8, позволяющая настроить чувствительность. В результате срабатывание происходило только при контакте с молоком, а не с пеной и другими веществами.

Преимущества емкостного датчика CSN EC50S8:

выгодная цена;

надежность, за счет простого, но действенного технического решения;

долговечность, благодаря отсутствию механического износа;

универсальность, датчик может быть применен практически везде, где нужно фиксировать уровень;

возможность настройки срабатывания практически на любое вещество;

адаптация к агрессивным условиям;

возможность применения при высоких температурах (от -15 до 105oС);

наличие защиты от перепадов напряжения;

Рисунок 3 — Схемы монтажа емкостного датчика Рисунок 4 — Схема подключения емкостного датчика CSN EC50S8−31P-25-LZS4-H

Рисунок 5 — Габаритный чертеж емкостного датчика 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 6).

Рисунок 6 — 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 7). 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 7 — 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.

Рисунок 8 — Общий вид поплавкового датчика уровня ОВЕН ПДУ Поплавковые датчики уровня ОВЕН ПДУ могут использоваться для контроля уровня самых разных продуктов, например сточных вод, химически агрессивных жидкостей или пищевых продуктов. Поплавковые датчики уровня устойчивы к пене и пузырькам в жидкости и могут работать с вязкими жидкостями.

Датчики уровня ОВЕН ПДУ применяются для измерения как текущего, так и предельного (максимального или минимального) уровня жидкости.

Пример области применения поплавковых датчиков — контроль уровня жидкости в транспортных средствах. Прежде всего, это задачи по контролю объема топлива в тяжелой технике: грузовиках, экскаваторах, тепловозах. Здесь датчики уровня работают в условиях сильной вибрации и волнения на поверхности жидкости. Для устранения влияния этих факторов поплавковый датчик помещают в специальную демпферную трубу, диаметром чуть больше, чем диаметр поплавка.

Конструкция датчиков ОВЕН ПДУ очень проста. Датчик имеет поплавок, передвигающийся по вертикальному штоку. Внутри поплавка находится постоянный магнит, а в штоке, представляющем собой полую трубку, находится геркон. Герконовый контакт срабатывает при приближении магнита.

Если установка датчика сверху емкости невозможна, то поплавковый датчик уровня можно вмонтировать в стенку емкости. В этом случае поплавок с магнитом крепится на шарнире, а герконовый выключатель в корпусе датчика. Такие датчики срабатывают, когда жидкость достигает поплавка и предназначены для сигнализации предельного уровня.

Датчики ОВЕН ПДУ могут работать при температурах до 105 °C в химически агрессивных средах. Материал — нержавеющающая сталь (12X18H10T).

Следует помнить, что датчики уровня поплавкового типа не подходят для измерения липких и засыхающих жидкостей, жидкостей с механическими включениями, а также в случае замерзания жидкости.

Рисунок 9 — Датчики ОВЕН ПДУ Возможно два варианта крепления: горизонтальное (ПДУ-1.1) и вертикальное (ПДУ-2.1, ПДУ-3.1).

Вертикальное крепление позволяет отслеживать как промежуточные, так и предельные (переполнение, недолив) уровни, горизонтальное — только промежуточные уровни.

Датчик ПДУ-3.1, имеющий шарообразный поплавок, может работать с более вязкими жидкостями.

Рисунок 10 — Схема перемещения Повышение уровня жидкости в резервуаре приводит к перемещению поплавка вверх и замыканию контакта датчика уровня.

Рисунок 11 — Вертикальное крепление датчиков Если резервуар имеет конструкцию, показанную на рисунке, то возможен вариант вертикального крепления трех датчиков ПДУ-2.1 или ПДУ-3.1 с отслеживанием промежуточного уровня.

Датчики подключаются к сигнализатору уровня, например ОВЕН САУ-М6.

Ведущие производители: NIVOFLOAT, Grundfos.

Рисунок 12 — Общий вид магнитострикционного датчика В основе принципа действия датчика лежит магнитострикционный эффект. Поплавок движется по скользящей трубке и передаёт уровень жидкости на сензор (рисунок 13). В поплавке находится магнит, в скользящей трубке натянут провод (1) из магнитострикционного материала. Вокруг провода находится магнитное поле (3). При помощи короткого импульса тока создаётся кратковременное магнитное поле по всей длине провода. Магнитное поле магнита, который находится в поплавке (4) соприкасается с проводом. В результате взаимодействия двух полей возникает механическая (акустическая) волна, которая со скоростью звука движется в сторону измерительной головки датчика. В голове датчика (2) на конце провода эта механическая волна преобразуется с помощью пьезокерамического преобразователя в электрический сигнал. Значение уровня вычисляется в измерительной голове датчика по разнице во времени между отправлением электрического импульса и приходом звуковой волны.

Рисунок 13 — Конструкция магнитострикционного датчика Один из способов применения магнитострикционных датчиков — измерение уровня бензина в подземных резервуарах автозаправочных станций.

Магнитострикционные датчики выпускаются например фирмами Balluff (Micropulse), MTS Sensors (Temposonic и Level Plus), TR Electronic и другими. Еще одним отличием от традиционных датчиков уровня является то, что в магнитострикционных датчиках уровня в качестве штока, по которому перемещается поплавок, может быть использован гибкий трос. Тем самым измеряемая длина может составлять 12 и более метров, сохраняя при этом непревзойденную точность измерений.

По сравнению с традиционными системами измерений расстояния, магнитострикционные обладают важными преимуществами:

— нечувствительность к вибрациям, ударам, загрязнению, влажности и т. д.;

— долгий срок службы и отсутствие необходимости в специальном обслуживании, благодаря бесконтактному принципу работы;

— отсутствие необходимости возвращаться в начальную точку при отключении питания, т. е. абсолютный выходной сигнал;

— высокая линейность, повторяемость и разрешение;

— позиционер (магнит) не нуждается в подаче питания;

— высокая степень пылевлагозащиты IP67/IP68.

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 14) 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 14 — 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.

ЗАО «ЛИМАКО» — признанный лидер среди Российских производителей радарных уровнемеров.

Радарные уровнемеры УЛМ применяют для измерения уровня жидких веществ — дизельного топлива, бензина, растворителей, нефти, мазута, кислоты, щелочи, бурового раствора, воды, патоки, пива, и для измерения уровня сыпучих материалов — угля, угольной пыли, сажи, технического углерода, цемента, минеральных удобрений, руды, щебня, песка и т. д.

Рисунок 15 — Уровнемер УЛМ-11

Радарный уровнемер УЛМ-11 предназначен для высокоточного бесконтактного измерения уровня жидких продуктов и сыпучих материалов в резервуарах. Уровнемер УЛМ-11 применяется для измерения уровня жидких продуктов таких как нефть, бензин, дизельное топливо, мазут, кислота, щелоч, битум, пиво, масло, спирт (пищевой), метанол, вода, фенол и т. д., и измерения уровня сыпучих матералов таких как угольная пыль, уголь, цемент, щебень, сажа (технический углерод) и т. д.

Рабочая температура окружающей среды в месте установки датчика уровня находится в диапазоне от -600С до +500С, при этом никаких дополнительных утеплителей и обогревателей не требуется. Нормальное функционирование уровнемера при столь низких температурах обеспечивается внутренней, автономной системой подогрева, которая поддерживает необходимую рабочую температуру внутри датчика уровня.

В датчиках уровня уровнемера УЛМ-11 применен защищенный принцип размещения антенны — антенна целиком находится внутри корпуса датчика и изолирована от внешнего пространства фторопластовой линзой специальной выпуклой формы. Форма линзы способствует стеканию влаги с ее поверхности, а температура на внешней поверхности защитной линзы всегда выше температуры окружающей среды (роса всегда выпадает на более холодных поверхностях). Такой комплекс мер гарантирует невыпадение росы на антенне и отсутствие загрязнений способных повлиять на точность и стабильность измерения уровня.

При такой конструкции датчика уровня отсутствует необходимость опускания внутрь резервуара антенны, поэтому датчик уровня уровнемера УЛМ-11 можно целиком изолировать от внутреннего объема резервуара при помощи радиопрозрачной прокладки (фторопластовой, кварцевой, керамической и т. д.). Эта опция удобна при измерении уровня агрессивных веществ (кислот, щелочей и т. д.), пищевых продуктов, перегретых продуктов и продуктов хранящихся в резервуарах с избыточным давлением.

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.

В зависимости от области применения, выпускаются датчики уровня с пороговым или аналоговым выходами, а так же цифровыми интерфейсами, например PrifiBus, RS485. Ультразвуковые датчики компактны, имеют надежную конструкцию, не имеют подвижных частей и практически не нуждаются в обслуживании. Современная электроника ультразвуковых датчиков уровня, и их правильный монтаж позволяет убрать помехи, возникающие от отражения сигнала от стенок емкости, обогревателей или охладителей внутри емкости, а так же работающих мешалок.

Рисунок 16 — Ультразвуковой датчик уровня Siemens Sitrans Probe LU

Ультразвуковые датчики уровня Siemens probe lu широко используются для измерения и контроля объема жидких и сыпучих веществ в резервуаре и уровня заполнения емкости. Принцип работы ультразвуковых уровнемеровоснован на том, что звуковые волны отражаются от препятствия, которыми являются объекты измерения. Излучатель ультразвукового уровнемера, расположенный в корпусе датчика, посылает ультразвуковые волны, часть которых отражается от объекта измерения и возвращается назад в приемник. В датчике принятый отраженный сигнал преобразуется встроенной электроникой в напряжение. Таким образом, интегрированный контроллер измеряет время, за которое сигнал проходит путь от излучателя, отражается от объекта и возвращается в приемник. Преимущества ультразвуковых датчиков уровня очевидны, ведь отсутствует контакт с продуктом, а поэтому на уровнемере не образуются отложения. Приборы очень компактны, имеют надежную конструкцию, не имеют подвижных частей и практически не нуждаются в обслуживании.

Уровнемер Sitrans Probe LU подходит для измерений уровня воды, сточных вод и химикатов. Диапазон измерения ультразвукового уровнемера Siemens Probe LU составляет 6 или 12 метров в зависимости от конфигурации. Функция автоматического подавления ложных отражений эхо-сигнала от неподвижных встроенных деталей, улучшенное отношение сигнал/шум и увеличенная точность в 0.15% от диапазона измерения обеспечивают высочайшую надежность и точность ультразвукового датчика уровня Probe LU.

Вибрационные датчики уровня Рисунок 17 — Датчик уровня заполнения вибрационного типа Вибрационный датчик уровня состоит из вилки, которая является чувствительным элементом, и преобразователя. Принцип работы такого датчика заключается в следующем — вибрационная вилка вибрирует под пьезоэлектрическим воздействием на своей механической резонансной частоте, частота передается на встроенную электронику. Если зонд покроется загружаемым материалом — жидкостью или сыпучими продуктами, то это приведет к изменению колебания. Затухание частоты будет уловлено электроникой, которая выдаст команду и сработает соответствующий выход переключения.

Достоинством вибрационных датчиков уровня является невосприимчивость к размерам частиц, плотности и влажности среды, к влиянию электрических и магнитных полей. Вибрационный датчик уровня сохраняет работоспособность даже при значительном налипании контролируемого материала на рабочие поверхности пластин резонатора. На показания вибрационных датчиков уровня не влияет наличие пены, пузырьков, взвешенных частиц в измеряемой среде.

Возможно применение вибрационных датчиков уровня для воды, порошкообразных и гранулированных сыпучих материалов, которые не склонны к сильному образованию отложений.

Данный датчик можно также использовать в качестве датчика потока, для защиты насосов от сухого хода. Возможна установка на трубу.

Ротационные датчики уровня Рисунок 18 — Датчик уровня ротационного типа Ротационный датчик уровня имеет лопасть, которую приводит в движение синхронный двигатель. При появление какой-либо среды, которая препятствует вращению лопасти — датчик срабатывает.

Как правило, ротационные датчики применяют для сигнализации уровня сыпучих сред: зерно, различные корма, цемент, пластиковые гранулы или древесная стружка.

Принцип действия ротационного сигнализатора уровня

Лопасть вращается с помощью электромотора (1 или 5 обор. мин). Вследствие контакта с материалом вращательное движение прекращается. Возникший реактивный момент задействует микровыключатель, который выдает соответствующий выходной сигнал и отключает мотор. Как только лопасть освобождается, мотор, с помощью пружины, возвращается в исходное положение (выходной сигнал меняется и мотор снова включается).

Основные преимущества:

Простой и надежный принцип контроля уровня

Простая и быстрая установка Не нуждается в обслуживании Прочная промышленная конструкция Общепромышленные и специальные серии — подходящее решение для любого применения датчик сигнализатор уровень Применим практически для всех сыпучих веществ.

Допуск к применению в различных странах мира (CSA, FM, и т. д.).

Применим в местах с опасностью взрыва газа и пыли (сертификат ATEX).

Рисунок 20 — Способы установки ротационных датчиков