Датчики рівня рідини в резервуарі дозволяють проводити поточне вимірювання кількості заправленої рідини, так і повідомляти про досягнення граничних її значень. Такі прилади складаються з чутливого датчика, що реагує на певні фізичні параметри і схеми вимірювання, контролю та індикації. У залежності від області застосування використовуються пристрої, що різняться принципом своєї дії.
Інформація, викладена у статті, допоможе дізнатися про принципи роботи датчиків різних типів і областей їх застосування. Буде здійснено короткий огляд їх переваг і недоліків, вказані основні зарекомендували себе на ринку виробники.
Класифікація приладів
Датчики рівня рідини в резервуарі можуть бути рівнемірами або сигналізаторами. Перші з них призначені для постійного вимірювання рівня рідини в поточний момент часу. Вони використовують сенсори, що працюють на різних фізичних принципах. Подальшу обробку що надходять від них сигналів виробляють аналогові або цифрові електронні схеми, що входять до складу рівнемірів. Отримані показники відображаються на елементи індикації.
Сигналізатори попереджують про досягнення певного, заздалегідь встановленого елементами настройки значення рівня рідини в ємності. Інше їх назва – датчики рівня води в резервуарі для відключення її подальшої подачі. Їх вихідний сигнал є дискретним. Попередження може видаватися у вигляді світлової або звукової сигналізації. При цьому відбувається автоматичне блокування роботи систем заправки або зливу рідини.
Методи вимірювання рівня
В залежності від властивостей рідини, рівень якої в резервуарі потрібно визначити, використовуються наступні методи вимірювання:
- контактний, при якому здійснюється безпосередня взаємодія датчика рівня рідини в резервуарі або його частини з вимірюваної середовищем;
- безконтактний, що дозволяє уникнути прямої взаємодії датчика з рідиною (зважаючи на її агресивних властивостей або високої в’язкості).
Контактні пристрої розташовуються в ємності безпосередньо на поверхні вимірюваної рідини (поплавки), в її глибині (гідростатичні манометри), або на стінці резервуара на певній висоті (пластинчасті конденсатори). Для безконтактних вимірювачів (радарних, ультразвукових) необхідно забезпечити зону прямої видимості поверхні вимірюваної рідини і відсутність прямого зіткнення з нею.
Принципи дії
Як рівнеміри, так і сигналізатори для виконання своїх функцій використовують різні принципи дії. Найбільшого поширення набули пристрої наступних типів:
- поплавкові датчики рівня рідини в резервуарі;
- ємнісні;
- гідростатичні датчики рівня рідини;
- пристрої радарного типу;
- ультразвукові датчики.
Поплавкові, в свою чергу, можуть бути механічними, дискретними і магнитострикционными. Перші три групи датчиків включають в себе пристрої, що використовують контактний метод вимірювання, дві інші належать до безконтактним пристроїв.
Механічні датчики поплавкові
Легкий поплавок, постійно знаходиться на поверхні рідини в резервуарі, системою механічних важелів пов’язаний із середнім виводом потенціометра, який є плечем моста опорів. При мінімальній кількості рідини в ємності міст вважається збалансованим. Напруга в його вимірювальної діагоналі відсутня.
По мірі заповнення резервуара поплавок відстежує положення рівня рідини, переміщуючи через систему важелів рухливий контакт потенціометра. Зміна опору потенціометра призводить до порушення збалансованого стану мосту. З’явилося напруження в його вимірювальної діагоналі використовується електронною схемою системи індикації. Її аналогові або цифрові свідчення відповідають кількості рідини в резервуарі у поточний момент часу.
Дискретні датчики поплавкові
Дискретний сигнал у вигляді замикання або розмикання контактів герконового реле використовується схемою електронної індикації та сигналізації для оповіщення про досягнення рівня рідини в ємності певного значення. Металеві контакти, виконані з матеріалу з низьким перехідним опором при їх замиканні, поміщені в порожнисту ізольовану скляну колбу.
Датчик рівня води в резервуарі з дискретним виходом має в своєму складі напрямну у вигляді порожнистої трубки, в яку не потрапляє рідина з резервуара. Всередині направляючої закріплені контакти одного або декількох герконовий реле. Місце їх розташування залежить від того, в якому випадку необхідно отримати сигналізацію про досягнення рівнем рідини заданого значення.
Поплавок датчика з вбудованим в нього невеликим постійним магнітом рухається вздовж напрямної при зміні рівня рідини в ємності. Спрацьовування контактної групи відбувається в момент її потрапляння в магнітне поле постійного магніту поплавця. Сигнал по проводах, підключеним до контактів датчика рівня води в ємності геркона, надходить на схему сигналізації.
Магнітострикційні поплавкові датчики
Датчики цього типу видають постійний сигнал, залежить від рівня рідини в резервуарі. Основним елементом, як і в попередньому випадку, є поплавець з постійним магнітом всередині, займає своє положення на поверхні рідини і переміщається у вертикальній площині уздовж напрямної.
Внутрішню порожнину направляючої, ізольовану від рідини, займає хвилевід. Він виконаний з магнітострикційного матеріалу. У нижній частині елемента розташоване джерело імпульсів струму, які поширюються вздовж нього.
При досягненні випроміненого імпульсу місця знаходження поплавця з магнітом відбувається взаємодія двох магнітних полів. Результатом такої взаємодії є виникнення механічних коливань, які поширюються назад по хвилеводу.
Поряд з імпульсним генератором закріплений п’єзоелемент, який фіксує механічні коливання. Зовнішня електронна схема аналізує тимчасову затримку між излученным і отриманим імпульсами і обчислює відстань до поплавця, який постійно знаходиться на поверхні рідини. Схема індикації постійно повідомляє про рівні рідини в резервуарі.
Ємнісні датчики
Робота датчиків цього типу заснована на властивості конденсатора змінювати свою електричну ємність при зміні показника діелектричної проникності матеріалу, що заповнює простір між його обкладками. Застосовуються конденсатори коаксіального типу, що представляють собою пару співвісних порожнистих металевих циліндрів різного діаметру.
Останні є обкладками конденсатора, між якими може вільно проникати рідина. Показники діелектричної проникності повітря і рідкого середовища мають різні значення. Заповнення резервуара призводить до зміни значення загальної діелектричної проникності коаксіального конденсатора і, відповідно, його електричної ємності.
Частота коливального контуру в ланцюг якого включений конденсатор, змінюється пропорційно зміні його ємності. Електронний перетворювач частота/напруга відстежує зміну та видає на індикацію значення, пропорційне ступеню заповнення резервуара.
Гідростатичні датчики
Інша назва такого пристрою – детектор, або перетворювач тиску. Вони можуть бути стаціонарними, закріпленими в нижній точці ємності, що заповнюється рідиною, або переносними. В останньому випадку перетворювачі тиску комплектуються кабелем значної довжини. Це дозволяє використовувати їх для резервуарів різних геометричних розмірів.
Чутливий елемент гідростатичного датчика являє собою мембрану, яка сприймає тиск стовпа рідини над собою. Його настройка виконана таким чином, що атмосферний тиск не призводить до деформації мембрани. За величиною тиску в точці виміру можна визначити висоту стовпа рідини або ступінь заповнення резервуара.
Величина деформації мембрани перетворюється в пропорційний електричний показник, який потім використовується для відображення рівня рідини в резервуарі. Застосовуються поправки, що враховують щільність вимірюваного середовища і прискорення вільного падіння у точці вимірювання.
Датчики радарного типу
Датчик рівня рідини ємності використовують безконтактний метод виміру, заснований на властивостях цього середовища будь-якої щільності і в’язкості відображати електричний сигнал. Частота випромінюваного сигналу радіолокатора, розташованого над поверхнею вимірюваного рівня рідини, змінюється за лінійним законом.
Відбитий від поверхні, він приходить на приймальний пристрій з затримкою, яка визначається довжиною пройденого шляху. Таким чином, між частотами двох сигналів присутня різниця. За величиною зсуву частоти аналізуюче пристрій локатора визначає пройдений сигналом шлях або рівень відбиває рідини відносно місця розташування радіолокатора.
Ультразвукові датчики рівня
Схема вимірювання, що використовується для датчиків цього типу, відповідає розглянутої в попередньому розділі статті. Локаційний метод вимірювання застосовується в ультразвуковому діапазоні довжин хвиль.
Отримані дані визначають різницю у часі між излученным передавачем і прийнятим приймачем сигналами. Використовуючи дані про швидкості поширення ультразвуку у повітряному просторі над поверхнею рідини, аналізуюче пристрій визначає відстань, пройдена сигналом, або рівень рідини в резервуарі.
Короткий огляд виробників
Датчики рівня рідини в резервуарі “ОВЕН” дозволяють виробляти необхідні вимірювання на високому рівні. Рекламу їхньої продукції можна зустріти на багатьох зарубіжних сайтах.
Заслуговує уваги продукція вітчизняного розробника і виробника L-CARD, внесеного в Держреєстр засобів вимірювань. Alta Group, яка перебуває на ринку Росії більше 10 років, має заслужені позитивні відгуки.
Висновок
Датчики рівня рідини в резервуарі слід вибирати, виходячи з умов їх використання, властивостей рідин, необхідних показників точності вимірювання. Найбільш вірні свідчення можна отримати при використанні датчиків радарного типу, магнітострикційних вимірників.
Треба пам’ятати, що абсолютна точність вимагає більш високих матеріальних витрат. Поплавкові датчики та сигналізатори – найбільш прості пристрої, але їх застосування обмежене умовами вібрації через спінювання рідини, її в’язкістю, агресивністю середовища.
Оптимальним рішенням, виходячи зі співвідношення ціна/якість, є використання гідростатичних і ємнісних датчиків за умови виконання обмежень, що накладаються на властивості вимірюваної рідини.
