Датчик уровня жидкости в резервуаре: виды, обзор производителей, применение, особенности установки

Датчики уровня жидкости в резервуаре позволяют как производить текущее измерение количества заправленной жидкости, так и сообщать о достижении предельных ее значений. Такие приборы состоят из чувствительного сенсора, реагирующего на определенные физические параметры, и схемы измерения, контроля и индикации. В зависимости от области применения используются устройства, различающиеся принципом своего действия.

Информация, изложенная в статье, поможет узнать о принципах работы датчиков разных типов и областях их применения. Будет осуществлен краткий обзор их достоинств и недостатков, указаны основные зарекомендовавшие себя на рынке производители.

Классификация приборов

Датчики уровня жидкости в резервуаре могут быть уровнемерами или сигнализаторами. Первые из них предназначены для постоянного измерения уровня жидкости в текущий момент времени. Они используют сенсоры, работающие на разных физических принципах. Дальнейшую обработку поступающих от них сигналов производят аналоговые или цифровые электронные схемы, входящие в состав уровнемеров. Полученные показатели отображаются на элементах индикации.

Сигнализаторы предупреждают о достижении определенного, заранее установленного элементами настройки значения уровня жидкости в емкости. Другое их название — датчики уровня воды в резервуаре для отключения ее дальнейшей подачи. Их выходной сигнал является дискретным. Предупреждение может выдаваться в виде световой или звуковой сигнализации. При этом происходит автоматическая блокировка работы систем заправки или слива жидкости.

Методы измерения уровня

В зависимости от свойств жидкости, уровень которой в резервуаре требуется определить, используются следующие методы измерения:

контактный, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие датчика уровня жидкости в резервуаре или его части с измеряемой средой;
бесконтактный, позволяющий избежать прямого взаимодействия датчика с жидкостью (ввиду ее агрессивных свойств или высокой вязкости).

Контактные устройства располагаются в емкости непосредственно на поверхности измеряемой жидкости (поплавки), в ее глубине (гидростатические манометры), либо на стенке резервуара на определенной высоте (пластинчатые конденсаторы). Для бесконтактных измерителей (радарных, ультразвуковых) необходимо обеспечить зону прямой видимости поверхности измеряемой жидкости и отсутствие прямого соприкосновения с ней.

Датчик уровня воды своими руками

Посмотрим, на примере откачки воды из приямка, как можно сделать управление в автоматическом цикле поддержания уровня воды не выше положенного.

Имеем приямок с очень не чистого вида жидкостью, состоящей из воды и примесей охлаждающей жидкости для резцов металлорежущего станка.

Были рассмотрены все виды датчиков, однако, по цене и простоте исполнения подошла комбинированная конструкция, состоящая из проволоки длиной три метра (глубина приямка), прикреплена к поплавку (большая пластмассовая емкость с воздухом), на поверхности проволока крепится к пружинке с лепестком.

В качестве сигнала берется обычный дискретный сигнал 24В с обычного индуктивного датчика. Он отрабатывает на лепесток. Когда уровень воды в приямке растёт, поплавок поднимается ослабляя пружину. На конце пружины прикреплен лепесток, он поднимается за счёт разгибающей силы пружины. На лепесток, в свою очередь, отрабатывает индуктивный сенсор, подавая на катушку реле двигателя насоса, заставляя его откачивать воду с приямка. Для того, чтобы избежать частых включений отключений двигателя, в цепи датчик-катушка, стоит реле задержки выключения с уставкой на 10 минут.

Таким образом, при следующем срабатывании датчика, реле снова сработает и цикл повторится.

Конечно, для предохранения двигателя от сухого хода целесообразно поставить датчик протекания в патрубок, через который происходит откачка эмульсии. Но в нашем случае важна была простота конструкции. Вместо индуктивного сенсора можно использовать две пластины, соприкасающиеся друг с другом, что будет еще экономичнее.

Если вода или другая жидкость имеет однородный состав, тогда можно применить концу кто метрический одноэлектродный датчик уровня.

Например ДУ-1Н , предназначенного для измерения уровня в различных типах жидкости. Датчик может работать в широких температурных пределах. Корпус не подвергается коррозии, состоит из высококачественной нержавеющей стали. В качестве изоляции используется керамика и фторопласт, это обеспечивает отличную изоляционную защиту. Устойчив ко многим механическим нагрузкам. Измерения не зависят от плотности жидкости. И не требует дополнительного ухода во время работы.

Принципы действия

Как уровнемеры, так и сигнализаторы для выполнения своих функций используют разные принципы действия. Наибольшее распространение получили устройства следующих типов:

поплавковые датчики уровня жидкости в резервуаре;
емкостные;
гидростатические датчики уровня жидкости;
устройства радарного типа;
ультразвуковые датчики.

Поплавковые, в свою очередь, могут быть механическими, дискретными и магнитострикционными. Первые три группы датчиков включают в себя устройства, использующие контактный метод измерения, две другие относятся к бесконтактным устройствам.

ВИДЫ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

В зависимости от способа контакта с жидкой средой все датчики этого типа разделяются на:

контактные;
бесконтактные.

Вторая группа более ограничена и представлена высокотехнологичными радарными микроволновыми уровнемерами и ультразвуковыми датчиками обоих типов.

Микроволновые радарные уровнемеры

в свою очередь разделяются на приборы с разным принципом действия (контроль импульсов или FMCV локация), рабочим диапазоном и частотой излучения. Эти уровнемеры признаны самыми совершенными, единственным ограничением их применения считается высокая цена.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров и сигнализаторов

основан на анализе времени распространения импульсов от сенсора-излучателя до жидкой среды. К преимуществам приборов этой группы относят экономичность, компактность и неприхотливость, в целом их характеристики считаются универсальными.

Сфера применения ультразвуковых разновидностей ограничена водой и другими жидкостями, для измерения уровня сыпучих веществ они не подходят. К учитываемым особенностям этих устройств также относят потребность в компенсации некоторых внешних влияний (ветра, наличия пенного слоя).

Контактные датчики

более распространены и многообразны. В зависимости от принципа действия эта группа условно разделяется на:

емкостные и кондуктометрические разновидности, имеющие схожий принцип работы и определяющие уровень по изменению емкости среды и показателей сопротивления соответственно;
поплавковые измерители в свою очередь разделяемые на простые механические и усовершенствованные герконовые;
гидростатические уровнемеры и сигнализаторы, используемые при отслеживании уровня воды и жидкостей с постоянной плотностью при давлении внешней среды не выше атмосферного;
оптические электронные сигнализаторы предельного уровня, отслеживающие это значение за счет изменения отражательной способности воды;
вибрационные устройства, отслеживающие достижение определенного уровня за счет анализа изменений амплитуды колебаний чувствительного элемента.

Поплавковые механические датчики

имеют самый простой принцип работы (контакты замыкаются при выталкивании поплавка рабочей жидкостью). Устройства этой группы ценятся за надежность и доступность, но из-за срабатывания исключительно при достижении определенного предела их возможности ограничены.

Герконовые

(они же магнитно-поплавковые) датчики этих недостатков лишены, контакты их чувствительных элементов могут замыкаться по мере приближения магнита. Все поплавковые разновидности не нуждаются в сложном монтаже и обходятся дешево, но в клейких и динамичных средах они малополезны.

Емкостные датчики

оснащаются специальными электродами, образующими с корпусом примитивный конденсатор. Их используют для мониторинга уровня воды и любых не вспенивающихся и не набрызгивающихся на зонд жидкостей (исключение – емкостные радиочастотные виды).

К важным преимуществам емкостных уровнемеров и сигнализаторов относят повышенную чувствительность, надежность и возможность работы с агрессивными средами.

Кондуктометрические

разновидности датчиков уровня жидкости оснащаются жесткими стержнями или гибкими тросовыми электродами. Функции общего электрода у них выполняют металлические стенки рабочего резервуара или контрольные стержни.

Замыкание реле происходит при контакте рабочего элемента с пищевой или технической водой, напитками, растворами солей или щелочей и стоками. Их преимущества и недостатки во многом схожи с емкостными, но длину их электродов легче менять. В отличие от емкостных разновидностей кондуктометрических принцип реализуется исключительно в сигнализаторах.

Гидростатические разновидности имеет широкую сферу применения и ценятся за надежность и неприхотливость. В частности, с их помощью отслеживается уровень воды в скважинах (безальтернативное применение), контролируется давление в насосных и котельных и работа оросительных установок.

Но из-за риска получения некорректных результатов их не рекомендуют использовать для отслеживания уровня растворов с переменной плотностью.

Оптические электронные датчики

используются в качестве альтернативы герконовым при отслеживании уровня воды в резервуарах, находящихся под вибрацией.

Они ценятся за компактность и возможность получения независимых от внешних факторов результатов. Из-за дороговизны, ограничений в объеме резервуаров и потребности в профессиональном монтаже они используются реже остальных.

Вибрационные сигнализаторы срабатывают при изменении вибрации вилочковых чувствительных элементов. Такие приборы имеют средние показатели точности и экономичности и хорошо себя проявляют при работе с пенными и вязкими средами. Вибрационные сигнализаторы не имеют эксплуатационных недостатков, но для постоянного мониторинга или выдачи сверхточных результатов они не предназначены.

Механические поплавковые датчики

Легкий поплавок, постоянно находящийся на поверхности жидкости в резервуаре, системой механических рычагов связан со средним выводом потенциометра, который является плечом моста сопротивлений. При минимальном количестве жидкости в емкости мост считается сбалансированным. Напряжение в его измерительной диагонали отсутствует.

По мере заполнения резервуара поплавок отслеживает положение уровня жидкости, перемещая через систему рычагов подвижный контакт потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Появившееся напряжение в его измерительной диагонали используется электронной схемой системы индикации. Ее аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в текущий момент времени.

Дискретные поплавковые датчики

Дискретный сигнал в виде замыкания или размыкания контактов герконового реле используется схемой электронной индикации и сигнализации для оповещения о достижении уровня жидкости в емкости определенного значения. Металлические контакты, выполненные из материала с низким переходным сопротивлением при их замыкании, помещены в полую изолированную стеклянную колбу.

Датчик уровня воды в резервуаре с дискретным выходом имеет в своем составе направляющую в виде полой трубки, в которую не попадает жидкость из резервуара. Внутри направляющей закреплены контакты одного или нескольких герконовых реле. Место их расположения зависит от того, в каком случае необходимо получить сигнализацию о достижении уровнем жидкости заданного значения.

Поплавок датчика со встроенным в него небольшим постоянным магнитом движется вдоль направляющей при изменении уровня жидкости в емкости. Срабатывание контактной группы происходит в момент ее попадания в магнитное поле постоянного магнита поплавка. Сигнал по проводам, подключенным к контактам датчика уровня воды в емкости геркона, поступает на схему сигнализации.

Разновидности датчиков

Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:

Поплавковый. Это самый простой вариант измерения уровня воды в баке. Конструкция поплавкового уровнемера включает в себя 2 геркона, магнит и поплавок. Когда уровень жидкости увеличивается, поплавок поднимается до первого геркона, который отключает реле двигателя. Если резервуар опустошается, поплавок опускается до второго геркона, который запускает реле и включает насос, перекачивающий жидкость из скважины. Герконовый датчик предельного уровня жидкости можно сделать своими руками. При этом он будет работать, даже если в резервуаре будет объемный слой пены.
Ультразвуковой. Эта разновидность измерительных устройств применяется как для сухой, так и для жидкой среды. Ультразвуковые датчики могут иметь дискретный или аналоговый выход. То есть приспособление может постоянно контролировать уровень воды или ограничивать наполнение емкости при достижении конкретной точки. Такой уровнемер состоит из приемника, УЗ-излучателя и контроллера, отвечающего за обработку сигнала. Сигнализаторы ультразвукового типа являются беспроводными и бесконтактными, поэтому их можно устанавливать даже во взрывоопасных и агрессивных жидкостях.
Электродный (кондуктометрический). Такие уровнемеры не подходят для емкостей с дистиллированной водой. Стандартная конструкция оснащена трехуровневым сигнализатором, в котором наполнение резервуара контролирует пара электродов, а третий — предназначен для аварийных ситуаций, для запуска режима активной откачки.
Емкостный. С использованием таких уровнемеров можно точно идентифицировать предельное наполнение резервуара. Они подходят как для жидкостей, так и для сыпучих субстанций. Емкостные уровнемеры функционируют по такому же принципу, что и конденсаторы: измерение выполняется между пластинками чувствительного элемента. При достижении пикового значения на контроллер отсылается соответствующий сигнал. Иногда емкостные сигнализаторы работают по принципу «сухого контакта», при котором устройство срабатывает через стенку резервуара. Эти приспособления могут эффективно работать в очень обширном диапазоне температур, на их функционирование не влияет электромагнитное излучение. Такие эксплуатационные свойства расширяют область использования емкостных уровнемеров.
Радарный. Эта разновидность сигнализаторов является универсальной, так как она работает с любыми видами технологических сред, включая взрывоопасные и агрессивные жидкости. При этом показания не будут изменяться под воздействием температуры и давления. Прибор излучает радиоволны в определенном частотном диапазоне. Приемник улавливает отраженный радиосигнал и определяет заполненность резервуара, руководствуясь периодом задержки сигнала. На датчик-измеритель не влияет температура и давление. Запыленность технологической среды тоже не сказывается на показаниях. Специалисты отмечают, что радарные приспособления обладают максимальной точностью, так как их погрешность не превышает 1 мм.
Гидростатический. Этот тип сигнализатора позволяет измерять как текущее, так и предельное наполнение емкостей. Принцип работы гидростатического устройства базируется на измерении давления столба жидкости. Популярность таких датчиков обусловлена небольшой ценой и достаточной точностью.

Существуют и другие типы устройств, но они обладают специфичным назначением.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Датчики этого типа выдают постоянный сигнал, зависящий от уровня жидкости в резервуаре. Основным элементом, как и в предыдущем случае, является поплавок с постоянным магнитом внутри, занимающий свое положение на поверхности жидкости и перемещающийся в вертикальной плоскости вдоль направляющей.

Внутреннюю полость направляющей, изолированную от жидкости, занимает волновод. Он выполнен из магнитострикционного материала. В нижней части элемента расположен источник импульсов тока, которые распространяются вдоль него.

При достижении излученного импульса места нахождения поплавка с магнитом происходит взаимодействие двух магнитных полей. Результатом такого взаимодействия является возникновение механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу.

Рядом с импульсным генератором закреплен пьезоэлемент, который фиксирует механические колебания. Внешняя электронная схема анализирует временную задержку между излученным и полученным импульсами и вычисляет расстояние до поплавка, который постоянно находится на поверхности жидкости. Схема индикации постоянно сообщает об уровне жидкости в резервуаре.

Емкостные датчики

Работа датчиков этого типа основана на свойствах конденсатора изменять свою электрическую емкость при изменении показателя диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между его обкладками. Применяются конденсаторы коаксиального типа, представляющие собой пару соосных пустотелых металлических цилиндров разного диаметра.

Последние являются обкладками конденсатора, между которыми может свободно проникать жидкость. Показатели диэлектрической проницаемости воздуха и жидкой среды имеют разные значения. Заполнение резервуара приводит к изменению значения общей диэлектрической проницаемости коаксиального конденсатора и, соответственно, его электрической емкости.

Частота колебательного контура, в цепь которого включен конденсатор, изменяется пропорционально изменению его емкости. Электронный преобразователь частота/напряжение отслеживает это изменение и выдает на индикацию значение, пропорциональное степени заполнения резервуара.

Емкостно-частотные сигнализаторы уровня Baumer CleverLevel

Электрод внутри наконечника и корпус датчика образуют конденсатор. Измеряемый материал имеет собственную диэлектрическую постоянную, от которой зависит значение емкости. Датчики Baumer CleverLevel измеряют электрическую емкость между зондом и стенкой емкости, кроме того вместе с катушкой, находящейся в контактной части, образуется резонансный контур. Как только измеренная резонансная частота достигает установленного порога срабатывания, происходит переключение выходного сигнала датчика. Сигнализаторы INNOLevel представляют собой ротационные датчики уровня и используются для мониторинга уровня сыпучих продуктов. Они отлично работают в качестве датчика заполнения, опустошения или промежуточного уровня.

Гидростатические датчики

Другое название такого устройства — детектор, или преобразователь давления. Они могут быть стационарными, закрепленными в нижней точке емкости, заполняемой жидкостью, или переносными. В последнем случае преобразователи давления комплектуются кабелем значительной длины. Это позволяет использовать их для резервуаров разных геометрических размеров.

Чувствительный элемент гидростатического датчика представляет собой мембрану, которая воспринимает давление столба жидкости над собой. Его настройка выполнена таким образом, что атмосферное давление не приводит к деформации мембраны. По величине давления в точке измерения можно определить высоту столба жидкости или степень заполнения резервуара.

Величина деформации мембраны преобразуется в пропорциональный электрический показатель, который затем используется для отображения уровня жидкости в резервуаре. Применяются поправки, учитывающие плотность измеряемой среды и ускорение свободного падения в точке измерения.

Датчики радарного типа

Датчик уровня жидкости емкости использует бесконтактный метод измерения, основанный на свойствах этой среды любой плотности и вязкости отражать электрический сигнал. Частота излучаемого сигнала радиолокатора, расположенного над поверхностью измеряемого уровня жидкости, изменяется по линейному закону.

Отраженный от поверхности, он приходит на приемное устройство с задержкой, определяемой длиной пройденного пути. Таким образом, между частотами двух сигналов присутствует разница. По величине сдвига частоты анализирующее устройство локатора определяет пройденный сигналом путь или уровень отражающей жидкости относительно места расположения радиолокатора.

Ультразвуковые датчики уровня

Схема измерения, использующаяся для датчиков этого типа, соответствует рассмотренной в предыдущем разделе статьи. Локационный метод измерения применяется в ультразвуковом диапазоне длин волн.

Полученные данные определяют разницу во времени между излученным передатчиком и принятым приемником сигналами. Используя данные о скорости распространения ультразвука в пространстве над поверхностью жидкости, анализирующее устройство определяет расстояние, пройденное сигналом, или уровень жидкости в резервуаре.