Врезные гидростатические уровнемеры

Врезные гидростатические датчики являются одним из самых эффективных решений для непрерывного измерения уровня жидких сред с постоянной плотностью в открытых резервуарах. Благодаря широкому спектру материалов корпуса (нержавеющая сталь, поливинилхлорид, фторид поливинилидена), мембраны (нержавеющая сталь, керамика), датчики могут применяться для измерения уровня не только воды, но и агрессивных сред. Конструкция штуцерной части также позволяет измерять уровень вязких и пастообразных сред.

Врезные датчики устанавливаются в резервуаре в нижней его точке на уровне нулевой отметки — условного начала отсчета. В корпус резервуара вваривается дополнительное приспособление — бобышка с внутренней резьбой нужного размера, соответствующего штуцеру датчика давления рис. 3.9, бив. Чаще всего для измерения уровня применяют датчики давления с открытой мембраной, так как они менее подвержены засорению и более чувствительны к малым изменениям уровня ввиду больших размеров мембраны.

Датчик давления состоит из сенсора, модуля преобразования сигнала сенсора и корпуса. В настоящее время наиболее распространены тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Все более широкое применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой керамики (99,9% АЬОз), пьезорезистивные сенсоры.

Рис. 3.9. Врезные датчики гидростатического давления: схема подключения (a), NIVOPRESS-D (б) и DMP 331 BD (в)

Давление контролируемой среды воспринимает на себя мембрана и, деформируясь, передает эту деформацию входящему в состав датчика сенсору.

Принцип действия тензосенсоров с металлической мембраной основан на измерении деформации тензорезисторов, сформированных в тонкой пленке кремния на сапфировой подложке (КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране. В ряде случаев вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические: медные, никелевые и др. Принцип действия тензорезисторов основан на известноам явлении тензоэффекта в материалах, который выражается в том, что при относительной линейной деформации проводника его электрическое сопротивление увеличивается. Тензорезисторы соединены в мост Витстона. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы деформируются. Их сопротивление изменяется, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс имеет линейную зависимость от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного к мембране давления. Разбаланс моста преобразуется электроникой датчика в выходной аналоговый сигнал и в цифровой код для вывода данных на дисплей. Мембрана и корпус сенсора образуют герметичную конструкцию, заполненную внутри кремнийорганической жидкостью.

Пьезорезистивные сенсоры с чувствительными элементами на основе монокристаллического кремния в настоящее время получили широкое распространение. Они имеют с приборами на основе КНС структур похожую конструкцию и в то же время имеют на порядок большую временную и температурную стабильности, более устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок.

Данный тип сенсора представляет собой мембрану из монокристаллического кремния с размещенными на ней методом диффузии пьезорезисторами. Пьезорезисторы соединены так же в мост Витстона. Кристалл ИПД прикрепляется к диэлектрическому основанию легкоплавким стеклом или методом анодного сращивания. Чувствительные элементы в датчиках данного типа либо не имеют защиты вовсе, либо защищены лишь слоем силиконового геля. При измерении агрессивных сред чувствительный элемент размещается в герметичном металлическом корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости. Основной недостаток датчиков с пьезорезистивными сенсорами является их сравнительно невысокая предельная рабочая температура измеряемой среды, составляющая не более 150 °C.

Емкостный сенсор в его современном варианте представляет собой конденсатор, образованный диэлектрической оболочкой сенсора, помещенной внутри прочного металлического корпуса, измерительными электродами, выполняющими функцию обкладок конденсатора, и упругой металлической или керамической мембраной. Пространство между мембраной и электродами заполнено силиконовым маслом, служащим для передачи давления на мембрану и одновременно для увеличения емкости конденсатора. При подаче разности давлений на сенсор мембрана деформируется, и емкость между обкладками изменяется. Измерение емкости производится электронным модулем датчика, подключенным к обкладкам сенсора. Преимуществами емкостного принципа измерения являются сравнительно простая (на первый взгляд) конструкция сенсора, достаточно высокая чувствительность (ДС/С = 15…20%).

Перспективным является применение подвижной мембраны из сверхчистой керамики или кремния Достоинством емкостного сенсора из сверхчистой керамики является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность показаний, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум благодаря отсутствию заполняющего масла. Керамическая мембрана обладает коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Кроме того у емкостных керамических сенсоров отсутствует эффект прямого и обратного хода. Они в меньшей степени подвержены воздействию гидравлических ударов, так как мембрана в этом случае просто прижимается к основанию сенсора.

Емкостной сенсор, показанный далее на рис. 3.10 (справа) для погружного уровнемера, имеет несколько другую конфигурацию. Металлическая мембрана, являясь элементом емкостного сенсора, подвергается воздействию измеряемой среды и перемещается относительно одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны емкость между пластинами изменяется.

В целом, к недостаткам емкостных сенсоров можно отнести:

• • нелинейный выходной сигнал сенсора;
• • значительный гистерезис (из-за неидеальных упругих свойств мембраны);
• • сильное влияние статического давления (за счет изменения диэлектрической проницаемости заполняющей жидкости);
• • существенное влияние температуры (за счет температурного расширения элементов сенсора и изменения диэлектрической проницаемости);
• • недостаточная стабильность (из-за «усталости» материала мембраны);
• • чувствительность к вибрации (резонансная частота колебаний мембраны находится в пределах спектра промышленных вибраций).