IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

УДК 621.31

ОБЗОР ДАТЧИКОВ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Введение. Датчики уровня – это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости. Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене. Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой жидкостью или сыпучим телом. Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата, а в ряде случаев для управления производственным процессом. Путем измерения уровня можно получать информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате; сигнализации предельных значений уровня рабочей среды.

Сигнализаторы уровня являются наиболее распространенными устройствами автоматики. Принцип действия этих устройств весьма разнообразен и определяется как физическими свойствами среды, так и поставленными задачами. При сигнализации уровня сыпучих сухих веществ применяют ультразвуковые радары, измерители массы емкости с продуктом, системы, основанные на измерении затухания ультразвуковой волны, распространяющейся по стенке емкости от излучателя, располагаемого на уровне уставки сигнализации до приемникам, расположенного по горизонтали на некотором расстоянии. Существуют также радиоизотопные приборы, просвечивающие стенку емкости, на противоположной стороне которой располагается счётчик Гейгера. Для сигнализации уровня жидкостей существует гораздо большее количество приборов. Если жидкость не электропроводна, то, помимо выше указанных, используются емкостные датчики - когда в резервуар на уровень сигнализации врезается пара рядом расположенных электродов, изолированных фторопластовой пленкой. Когда жидкость покрывает электроды, из-за ее диэлектрической проницаемости увеличивается электрическая емкость, изменение которой измеряет электрическая схема датчика. Наиболее часто применят поплавковые и вибрационные сигнализаторы. У поплавковых датчиков, конструкций которых величайшее множество, при всплытии поплавка срабатывает геркон или бесконтактный элемент. Основу вибрационного сигнализатора составляет LC – генератор низкой частоты. В поле индуктивности располагается механический резонатор в виде камертона. При касании жидкости до лепестков резонатора сильно увеличивается затухание механических колебаний и происходит срыв генерации. Схема сигнализатора выдает внешний сигнал о достижении требуемого уровня. Сигнализацию уровня электропроводных жидкостей, помимо вышеуказанных способов, чаще всего осуществляют с помощью контрольных электродов. Принцип действия заключается в измерении электрического сопротивления между контрольным электродом и общим проводом. Для исключения эффекта поляризации электродов, при котором электрод покрывается пленкой продуктов электролиза, плохо проводящей электрический ток, контроль ведут исключительно на переменном токе. Чаще всего таким способом измеряют уровень воды. Обычно напряжение на контрольных электродах составляет около 6 В, а электронная схема срабатывает при сопротивлении в цепи контрольного электрода ниже 3 кОм. Схема сигнализатора имеет симметричный вход для обоих полуволн контрольного напряжения. Напряжение, выделенное на измерительном резисторе, выпрямляется и поступает на вход порогового элемента, на выходе которого подключается реле или бесконтактный элемент.

Несмотря на то, что за последнее десятилетие арсенал средств измерения уровня пополнился новыми разработками, по данным различных источников лидерами применения в мире остаются поплавковые датчики уровня жидкости и емкостные датчики уровня. Суммарная доля, которых среди всего разнообразия датчиков уровня составляет 40%. При этом 25% от всех типов датчиков уровня приходится на поплавковые датчики и 15% на емкостные. Что, и не удивительно: 80% задач по измерению уровня приходится на измерение уровня жидкости, а поплавковые датчики здесь оптимальны по причине простоты конструкции и экономической целесообразности.

По принципу действия датчики уровня могут быть: емкостными, поплавковыми, радарного типа, ультразвуковыми, гидростатическими.

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+С_l=ε₀*G₀+ε_l*G_l , где:

С – Общая ёмкость конденсатора;

С₀ – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость;

С_l – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость;

ε₀ – Диэлектрическая проницаемость газовой среды;

ε_l – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды;

G₀ – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость;

G_l – 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.

Рис. 1. Общая схема емкостного датчика уровня.

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.

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 2).

Рис. 2. 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 3). 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.

Рис. 3. 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.

Радарный датчик уровня. Датчик уровня построен по принципу ЛЧМ-радиолокатора, более известна иностранная транскрипция - FMCW. Это один из классических методов радарного (радиолокационного) измерения расстояния позволяющий минимизировать влияние паразитных помех и помех, связанных с неровностями (волнениями) поверхности измеряемого продукта.

Принцип действия прибора заключается в следующем. Микроволновой генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону (рисунок 4) (линейный частотно-модулированный сигнал). Этот сигнал излучается в направлении продукта, отражается от него и часть сигнала, через определенное время, зависящее от скорости света, возвращается обратно в антенну. Излученный и отраженный сигнал смешиваются в датчике уровня (рисунок 4), и в результате образуется сигнал частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала Δf (Рисунок 4), соответственно пропорциональна времени распространения t_рез, и соответственно расстоянию от антенны до измеряемого продукта. Дальнейшая обработка сигнала осуществляется микропроцессорной системой датчика уровня и заключается в точном определении частоты результирующего сигнала и пересчете ее значения в значение уровня наполнения резервуара.

Обработка сигнала в датчиках уровня построена с применением процессоров цифровой обработки сигналов (DSP) и благодаря этому, а также использованию оригинальных алгоритмов и технологий, она производится в реальном масштабе времени без длительного накопления информации свойственного классическим ЛЧМ (FMCW) радарным уровнемерам.

Рис. 4. 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.

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.

Рис. 5. Примеры применения ультразвуковых датчиков.

Гидростатический датчик уровня. С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке;

ρ – Плотность жидкости;

g – Ускорение свободного падения;

h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом.

Рис. 6. Измерение уровня в закрытых резервуарах при помощи датчика гидростатического давления.

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Заключение. Рассмотренные в данной статье датчики уровня являются начальной, но необходимой и важной ступенью автоматизации систем измерения и поддержания уровня. Правильный подбор физического принципа действия датчика, гарантирующего точную, надежную, стабильную работу сигнализатора в реальных промышленных условиях, является залогом стабильности функционирования всего технологического процесса и качества готового продукта. Но, помимо совместимости физического принципа, важны и другие критерии выбора датчиков уровня, которые должны быть учтены: электрический, механический интерфейс, надежность, системная цена, доступность.

Список литературы:

1. Устройство и принцип работы датчиков уровня [Электронный ресурс] / Каталог приборов и датчиков – Режим доступа: http://www.devicesearch.ru/article/datchiki_urovnya свободный.

2. Сигнализаторы уровня жидкости [Электронный ресурс] / Технический портал – Режим доступа: http://www.qrz.ru/schemes/contribute/digest/pobyt36.shtml свободный.

3. Датчики уровня — измерение уровня жидкости и сухих веществ [Электронный ресурс] / Компания ТЕКО – Режим доступа: http://teko-new.ru/datchiki-urovnia/ свободный.

4. Ультразвуковые датчики [Электронный ресурс] / Автоматизация и электроника – Режим доступа: https://www.asutpp.ru/datchiki/datchik-urovnya-masla.html свободный.

5. Измерение уровня [Электронный ресурс] / Информационный портал – Режим доступа: http://asup-info.org.ua/index1_4.php свободный.

6. Радарный датчик уровня. Принцип действия [Электронный ресурс] / Измерительные приборы, все о КИП и системах автоматизации – Режим доступа: http://www.kipinfo.ru/info/stati/?id=9 свободный.

Код для цитирования: Скопировать