Многие системы автоматизации требуют измерения уровня. И есть множество промышленных отраслей, где измерение уровня необходимо. На сегодняшний день существует множество датчиков уровня, позволяющих измерять многие физические величины, связанные с количеством в резервуаре того или иного материала.
Самые первые датчики уровня работали только с жидкостями, но теперь, благодаря прогрессу, есть датчики и для сыпучих материалов. Уровнемеры и сигнализаторы уровня позволяют непрерывно отслеживать уровень и контролировать достижение материалом заданного уровня. В данной статье мы подробно остановимся на видах современных уровнемеров.
Сегодня возможна работа датчиков уровня как с жидкостями, так и с сыпучими материалами и даже с газами, причем материал может находиться как в емкости, так и в трубопроводе. Датчики подразделяются на контактные и бесконтактные, и по способу монтажа могут быть предназначены для установки либо в корпус трубопровода или емкости с измеряемым материалом, либо над измеряемым материалом.
Первые датчики уровня работали по простому принципу поплавка и использовали метод замыкания контактов материалом. Теперь же датчики претерпели усовершенствования, они содержат в своей конструкции схемы, обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций, таких как измерение объема, скорости расхода, сигнализация о достижении предельной границы и т. д. Результаты измерений могут обрабатываться и храниться.
Работает ли отрасль с жидким, вязким, газообразным, сыпучим, липким, пастообразным материалом, всегда можно подобрать подходящий датчик уровня для работы в условиях соответствующей среды. Вода, раствор, щелочь, кислота, масло, нефть, гсм, гранулы пластика — спектр применения весьма широк, и датчики на различных физических принципах позволяют выбрать подходящий для конкретных условий и практически для любой задачи.
Оборудование датчика включает в себя две части: сам датчик и средство визуализации данных. Контактные и бесконтактные датчики, постоянное изменение и отслеживание границы — выбор возможностей датчиков сегодня достаточно богат.
Вид выбираемого датчика определяется особенностями промышленного процесса и средой, в которой датчик будет работать. Благодаря средствам визуализации, в процессе измерений могут составляться графики для анализа информации об уровне продукта, что немало облегчает автоматизацию.
Для осуществления непрерывного мониторинга уровня сыпучих материалов или жидкостей в естественных и искусственных резервуарах служат уровнемеры. Они с дискретностью от единиц миллисекунд до десятков секунд проводят замеры уровня.
Применяются для отслеживания уровня водных растворов, кислот, щелочей, спиртов и т. д., а также для сыпучих материалов. Бывают контактными и бесконтактными, а по физическим принципам совершенно разнообразны. Рассмотрим каждый тип более подробно.
Микроволновые радарные уровнемеры
Применяются для непрерывного отслеживания уровня, являются универсальными. Используют в работе явление отражения электромагнитной волны от границы раздела двух сред. Частота волн от 6 до 95 ГГц, и она тем выше, чем меньше диэлектрическая проницаемость измеряемого материала, например для нефтепродуктов частота волн должна быть максимальной. Но диэлектрическая проницаемость не должна быть выше 1,6.
Поскольку датчик работает как радиолокатор, помехи ему не страшны, а высокая частота волн сводит к минимуму паразитное влияние давления и температуры в емкости. Радарным датчикам с такими высокими рабочими частотами не страшны ни пыль, ни испарение, ни пена.
В зависимости от типа и размера антенны датчика, точность прибора может быть разной. Чем больше и шире антенна, тем мощнее и точнее будет сигнал, выше дальность, лучше разрешение. Точность микроволновых радарных датчиков в пределах 1 мм, они могут работать при температурах до +250 оС, и измерять уровень до 50 м.
Радарные уровнемеры находят применение на многих производствах, где ведутся работы с сыпучими материалами: в строительстве, деревообработке, в химической промышленности, в пищевой промышленности, на производстве пластика, стекла и керамики. Применимы они и для измерения уровня жидкостей.
Акустические уровнемеры
Используют акустические волны, которые при отражении от отслеживаемого вещества принимаются и обрабатываются. Программное обеспечение фильтрует полезный сигнал, распознавая паразитное эхо.
Сигнал подается мощным импульсом, поэтому потери и затухание минимальны. В зависимости от температуры сигнал компенсируется, и точность остается высокой, в пределах четверти процента. Датчик устанавливается вертикально либо под углом. Уровень изменения может достигать 60 метров. Рабочая температура до +150 оС. Взрывозащищен.
Акустические уровнемеры служат на многих производствах, начиная от систем автоматизации для загрузочных кранов и систем контроля уровня сточных вод в септиках, заканчивая производством шоколада.
Ультразвуковые уровнемеры
Отраженные от границы раздела двух сред, ультразвуковые колебания принимаются и замеряется промежуток времени между моментом отправки сигнала и его приемом. Дискретность составляет единицы секунд, это связано с конечной скоростью звука в воздухе. Предельный уровень измерения достигает 25 метров.
Программное обеспечение позволяет предварительно настроить датчик на отключение в период, когда под ним проходит какой-нибудь механизм, например лопасть мешалки. Возможно управление датчиком с компьютера. Устанавливается вертикально над материалом или под углом. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +90 оС. Взрывозащищен.
Ультразвуковые уровнемеры применяются для контроля уровня сыпучих материалов во многих сферах, начиная с цементных заводов, заканчивая химической и пищевой промышленностью.
Гидростатические уровнемеры
Измеряют давление жидкости на дно емкости. Деформация чувствительного элемента преобразуется в электрический сигнал. Необходима связь с атмосферой, поскольку производится замер дифференциального давления. Подходит для работы с водой и другими не агрессивными жидкостями, для паст и т. д. Может работать как в открытых, так и в закрытых помещениях, в бассейнах, скважинах и т. д.
Величина давления зависит от плотности жидкости и от ее объема в резервуаре, от высоты столба жидкости. Уровнемер может быть погружного или врезного типа, - либо для контакта с атмосферой выводится каппилярная трубка, либо преобразователь врезается непосредственно в дно резервуара.
При монтаже необходимо исключить ложную фиксацию давления струи жидкости при ее закачеке в резервуар. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +125 оС.
Гидростатические уровнемеры находят широкое применение в химической промышленности в цистернах, в сфере ЖКХ в колодцах, в пищевой промышленности ими оснащаются емкости с жидкими продуктами, в металлургии, в фармацевтике, в нефтяной промышленности и т.д.
Емкостные уровнемеры
Зонд датчика и проводящая стенка резервуара образуют собой обкладки конденсатора. Вместо проводящей стенки может использоваться специальная трубка, которая надевается на зонд датчика или второй отдельный заземленный зонд. В качестве диэлектрика конденсатора служит вещество между обкладками — воздух или материал, уровень которого отслеживается.
Очевидно, при наполнении резервуара электроемкость конденсатора станет постепенно меняться. При пустом резервуаре электроемкость будет иметь конкретное значение, а в процессе вытеснения воздуха она изменится. Увеличение продукта в резервуаре меняет электроемкость конденсатора, образованного датчиком и резервуаром.
Электроника датчика преобразует изменение емкости в изменение уровня. Если форма резервуара необычная, то используют второй зонд, ибо обкладки образованного конденсатора должны быть расположены вертикально. Максимальный уровень достигает 30 метров. Точность не менее трети процента. Рабочая температура до +800 оС, в зависимости от модели. Время задержки регулируется.
Емкостные датчики уровня в основном применяются для контроля уровня жидкостей в очень многих сферах, где необходимо поддерживать заданный уровень продукта: в производстве напитков, бытовой химии, на предприятиях добывающих воду, с сельском хозяйстве и т.д.
Магнитные уровнемеры
На направляющей расположен поплавок с постоянным магнитом. Внутри направляющей установлены магниточувствительные выключатели. Последовательное срабатывание выключателей при заполнении или опустошении резервуара приводит к изменению тока дискретными порциями.
Принцип настолько прост, что данные уровнемеры не требуют регулировки и поэтому недороги и популярны. Ограничения вносит лишь плотность жидкости. Рабочая температура до +120 оС. Предел изменения 6 метров.
Магнитный уровнемер является экономичным решением для измерения уровня жидкостей во многих отраслях.
Микроволновые рефлексные уровнемеры
В отличие от радарных уровнемеров, здесь волна распространяется не по открытому воздуху, а вдоль зонда прибора, которым может быть трос или стержень. Волновой импульс испытывает отражение от границы раздела двух сред с различной диэлектрической проницаемостью, и приходит обратно, а время между моментом передачи и моментом приема фиксируется электроникой, и преобразуется в значение уровня.
Применение волновода позволяет избежать паразитного действия пыли, пены, бурления, а также влияния температуры окружающей среды. Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды не должна быть ниже 1,3е.
Рефлексные уровнемеры могут служить там, где радарные не смогут работать из-за диаграммы направленности, например в узких высоких резервуарах. Предел измерения 30 метров. Рабочая температура до +200 оС. Точность в пределах 5 мм.
Рефлексные микроволновые уровнемеры могут использоваться для непрерывного контроля уровня не проводящих и проводящих жидкостей и твердых веществ, и для измерения их массы и объема. Применим во многих отраслях.
Байпасные уровнемеры
Сбоку в емкости располагается измерительная колонка. Жидкость заполняет трубку, ее уровень измеряется. Принцип сообщающихся сосудов. На поверхности жидкости в трубке плавает магнит, а вблизи трубки — магнитострикционный датчик, который преобразует расстояние до магнита в сигнал тока.
На трубке имеются индикаторные пластины разного цвета, которые под действием магнитного поля магнита меняют свое положение. Благодаря тому, что контакт жидкости со внешней средой отсутствует, байпасные уровнемеры применимы в пищевой и фармацевтической промышленности. Предел уровня измерений до 3,5 метров. Точность в пределах 0,5 мм. Рабочая температура до +250 оС.
Байпасные уровнемеры применимы там, где требуется визуальный контроль за уровнем жидкостей: в теплоэнергетике, в химической промышленности, в сфере ЖКХ, в электроэнергетике, в пищевой и нефтегазовой отраслях.
Магнитострикционные уровнемеры
В гибкой или жесткой направляющей находится поплавок с интегрированным магнитом. По направляющей расположен волновод, вокруг которого токовыми импульсами через катушку возбуждается радиальное магнитное поле. Когда это магнитное поле сталкивается с магнитным полем постоянного магнита поплавка, магнитострикционный волновод испытывает высокодинамичную пластическую деформацию.
Ультразвуковая волна, возникающая в результате этой деформации, распространяется вдоль волновода, и фиксируется электронным преобразователем на одном из его концов. Сопоставление по времени момента стартового импульса и времени возникновения импульса деформации определяет местоположение поплавка. Предел уровня измерений достигает 15 метров. Точность в пределах 1 мм. Рабочая температура до +200 оС.
Магнитострикционные уровнемеры находят применение в химической промышленности при контроле уровня пенящихся жидкостей, в пищевой промышленности и в металлургии для контроля уровня жидких пищевых продуктов и топлива.
Лотовые уровнемеры
На тросе или ленте, намотанной на барабан, закреплен груз. При установке датчика на крышке резервуара, появляется возможность спустить груз вниз емкости. Электродвигатель вращает барабан, и груз спускается на тросе вниз. Когда груз касается поверхности замеряемого материала, натяжение троса ослабевает, и это является сигналом об уровне материала. Трос снова наматывается на барабан, поднимая груз обратно вверх.
Электроника считает уровень исходя из количества оборотов барабана. Для обнаружения веществ с плотностью от 20 кг на м3 такой датчик подойдет. Предел уровня измерения до 40 метров. Точность от 1 до 10 см в зависимости от модификации. Интервал измерений задается пользователем и может быть от 6 минут до 100 часов. Рабочая температура до +250 оС.
Лотовые уровнемеры применяются на различных производствах для контроля уровня сыпучих материалов в автоматизированных системах.
Андрей Повный