Датчики непрерывного контроля уровня жидкости

Как и уровнемеры-сигнализаторы (выключатели) предельного уровня жидкости датчики непрерывного контроля уровня жидкости бывают контактными и бесконтактными по способу размещения измеряющего элемента датчика уровня жидкости относительно измеряемой среды, моноблочными и модульными в зависимости от компоновки и взаимного расположения блока измерения и блока преобразования/регистрации полученных данных, работают на базе основных физических методов измерения - емкостном, фазово-емкостном, фотоэлектрическом, электроконтактном, гидростатическом, радиоволновом, ультразвуковом, механическом, электромеханическом или их комбинациях.

Ключевыми преимуществами средств (датчиков) непрерывного контроля уровня жидкости в сравнении с уровнемерами-сигнализаторами предельного уровня является возможность непрерывного контроля уровня заполнения резервуара/емкости и полная интеграция датчиков уровня жидкости в системы автоматизации производственно-технологических процессов, что дает возможность, как настройки, получения/обработки результатов дистанционно по коммуникациям цифровых сетей, так и контролируемой автоматикой коммутации датчиков с исполнительными механизмами/устройствами (мешалками, запорной арматурой, электронасосами).

На отечественном рынке средств контроля и измерения можно купить датчик уровня жидкости на базе практически всех известных физических способов, но наиболее популярны на текущий момент зонды и датчики непрерывного контроля уровня жидкости: поплавковые (и буйковые), в том числе герконовые датчики уровня жидкости (около 24% объема продаж), вибрационные датчики уровня жидкости (около 21%), гидростатические, кондуктометрические, емкостные датчики непрерывного контроля уровня жидкости (20%, 5% и 15% соответственно), средства и датчики непрерывного контроля уровня жидкости на основе измерения и регистрации времени прохождения сигнала (радиоволновые, направленного электромагнитного излучения, ультразвуковые – порядка 15%).

Контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Механические датчики уровня жидкости.

Простейший контактный датчик контроля уровня жидкости – буйковый и построен на механическом способе измерения глубины погружения буйка.

Рис. Механический датчик непрерывного измерения уровня жидкости.

Равновесие сил на погруженном в жидкую среду буйке описывается уравнениями: F(A) – F(G) + F(R) = 0; F(A) = g*(V1*p1 + V2*p2); F(G) = g*m(s), где F(A) – подъемная сила, F(G) – сила тяжести буйка, F(R) – сила реакции измерительного прибора, p1 и p2 – плотности жидкой среды и воздуха соответственно, V1 и V2 – частичные объемы буйка в жидкости и воздухе соответственно (V1 + V2 = Vбуйка). Изменение частичных объемов буйка при известном сечении буйка позволяет определять глубину его погружения в жидкость: ∆ V1 = - ∆ V2 = - А*∆Н, где А – площадь сечения буйка.

Как правило, такие буйковые датчики оборудуются механическим способом передачи и регистрации данных, используются для измерения уровня жидкости в открытых резервуарах с однородными и не налипающими на измерительный элемент жидкими средами.

Достоинства механических датчиков уровня жидкости: простота конструкции, установки, регистрации.

Недостатки механических датчиков уровня жидкости: невысокая точность измерения, существенная зависимость от температуры среды, давления воздуха, вязкости, химической агрессивности, физической однородности жидкости, скорости заполнения/опорожнения резервуара.

Гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости такого типа основаны на измерении и регистрации изменений гидростатического давления жидкой среды на дно резервуара/емкости (p), которое зависит от высоты столба среды над измерительным элементом датчика (h) и плотности жидкой среды (ρ), и для неподвижных сред определяется уравнением p=ρ*g*h, откуда соответственно h=p/(ρ*g). Наиболее распространены сегодня мембранные датчики гидростатического давления и гидростатические зонды.

Типовые гидростатические зонды имеют встроенный преобразователь сопротивления из проволоки специального материала для определения температуры в месте измерения, измерительный элемент с керамической диафрагмой, смещающейся при изменении давления на 0,005 мм, а также специальную трубку для компенсации давления на тыльной стороне диафрагмы.

Рис. Типовой гидростатический зонд непрерывного измерения уровня жидкости.

Перемещение диафрагмы под воздействием давления столба жидкой среды вызывает изменение емкости измерительного элемента, которое преобразуется электронным блоком в регистрируемые электрические сигналы, пропорциональные текущим значениям давления и, соответственно высоты столба/уровня жидкости в резервуаре.

Мембранные гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости имеют чувствительный измерительный элемент – керамическую или металлическую диафрагму и емкостной первичный преобразователь, могут исполняться в виде моноблока или зонда с чувствительным элементом на тросе или стержне, устанавливаться снизу, сбоку резервуара или подвешиваться/фиксироваться на крышке резервуара/емкости.

Рис. Мембранные гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости с керамическим (слева) и металлическим (справа) измерительным элементом.

Рис. Мембранные гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости – моноблочные для установки на внешней стороне резервуара (слева) и из двух блоков – анализаторы разности давлений над поверхностью среды и столба жидкости (справа) для установки на внешней стороне резервуара.

Рис. Мембранные гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости на тросе (слева) и на стержне (справа).

Достоинства мембранных датчиков гидростатического давления и гидростатических зондов: высокая точность измерений, могут использоваться для контроля уровня загрязненных жидкостей, в том числе с осадком и слоем плавающих фракций, не имеют подвижных деталей/узлов, просто монтируются и обслуживаются.

Недостатки мембранных датчиков гидростатического давления и гидростатических зондов: точность измерений зависит от стабильности среды (уровень подвижных сред регистрируется с ошибками), необходима компенсация атмосферного давления на чувствительном элементе, зависимость точности измерений от плотности жидкой среды.

Емкостные контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Емкостные контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости, как правило исполняют в виде погружных зондов (см. рис. ниже) с частично или полностью изолированным электродом (1 на рис. ниже), трубчатым электродом (2 на рис. ниже), электродом в виде тросика (3 на рис. ниже), электродом противоположного знака (4 на рис. ниже), электродом в виде металлической ленты (5 на рис. ниже). Вторым электродом «конденсатора-резервуара» служит корпус (6 на рис. ниже).

Рис. Емкостные погружные зонды (датчики) непрерывного измерения уровня жидкости.

По сути, при таком способе измерения уровня жидкости в резервуаре одновременно анализируются емкости двух «конденсаторов» (или многослойного конденсатора), образованных зондом и корпусом резервуара – конденсатора с воздухом (выше уровня жидкости) и конденсатора с жидкой средой, имеющей свою относительную диэлектрическую проницаемость.

Достоинства емкостных погружных зондов (датчиков) непрерывного измерения уровня жидкости: отсутствие подвижных элементов/узлов, простота монтажа/обслуживания, достаточно высокая точность измерения уровня сравнительно неподвижных однородных сред без слоя плавающих фракций.

Недостатки емкостных погружных зондов (датчиков) непрерывного измерения уровня жидкости: зависимость точности измерений от подвижности, температуры среды, наличия слоя плавающих фракций, необходимость использования токов высокой частоты при измерении емкости, практическая непригодность для измерения сильнозагрязненных сред с крупными фракциями из разных материалов, имеющих различную относительную диэлектрическую проницаемость.

Справка: Аналогичную конструкцию и способ монтажа, а также почти идентичные достоинства/недостатки имеют погружные зонды – кондуктометрические датчики непрерывного измерения уровне жидкости, регистрирующие изменения электрического сопротивления «двухслойной» среды – воздуха над жидкостью и жидкости.

Погружные магнитные зонды (герконовые датчики) непрерывного измерения уровня жидкости.

Погружные магнитные зонды непрерывного измерения уровня жидкости или герконовые датчики конструктивно исполняют в виде направляющей трубы с модулями язычковых герметизированных контактов (ГерКон – ГЕРметизированныйКОНтакт), замыкаемыми или размыкаемыми магнитным полем тороидального магнита, установленного в двигающимся по направляющей трубе поплавке.

Рис. Погружные магнитные зонды (герконовые датчики) непрерывного измерения уровня жидкости

Достоинства погружных магнитных зондов – герконовых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: простой принцип действия, монтаж и обслуживание, нет необходимости в регулировках по месту установки, малая чувствительность к дисперсности, загрязнениям, турбулентности, температуре измеряемой среды.

Недостатки погружных магнитных зондов – герконовых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: подъемная сила определяется размерами поплавка, зависимость точности измерений от плотности измеряемой среды, ограничения по длине направляющей трубы (обычно не более 3 м) и плотности измеряемой среды (не менее 0.6 г/см3), плохая пригодность к измерениям сильно загрязненных сред с налипающими фракциями.

Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения.

Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения используют способ измерения коэффициента отражения электромагнитных волн посредством совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов (time-domain reflectometry). В отличие от микроволновых радарных датчиков (см. ниже) на базе метода измерения и регистрации времени прохождения сигнала (генерируемых передатчиком электромагнитных волн) в контактных датчиках непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения генерируемый микроволновой поток фокусируется специальным волноводом (погружным зондом) в виде троса или стержня, благодаря чему практически полностью нивелируются основные недостатки ультразвуковых и электромагнитных (радарных) бесконтактных датчиков – сильное рассеивание излучаемого сигнала в резервуара и снижение точности измерений из-за ложных показаний отражений от стенок резервуара.

Рис. Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения.

Достоинства контактных датчиков непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения: универсальность (используются для измерения уровня и сыпучих, и жидких сред), высокая точность измерения даже при наличии на поверхности среды пены (плавающих фракций), возможность эффективного нивелирования паразитных отражений от стен резервуара, арматуры, наростов, независимость измерений от плотности, диэлектрической постоянной, проводимости, химической агрессивности, температуры, давления среды, а также пыли, тумана в воздухе над измеряемой жидкой средой.

Недостатки контактных датчиков непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения: диэлектрическая постоянная жидкой среды должна быть больше 1.6, клейкие вещества в среде могут привести к отказам в работе, жесткие требования к монтажу (см. рис. ниже).

Рис. Рекомендуемый монтаж контактных датчиков непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения

Бесконтактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости.

Наиболее популярные на текущий момент бесконтактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости базируются на методах измерения и регистрации времени прохождения сигнала – ультразвукового или электромагнитного и соответственно этому делятся на ультразвуковые датчики непрерывного контроля уровня жидкости и радарные электромагнитные датчики (микроволновые радарные уровнемеры).

Бесконтактные ультразвуковые датчики непрерывного измерения уровня жидкости в большинстве случаев располагают вверху резервуара, уровень жидкости определяется, как разность расстояний от крышки до дна резервуара и от излучателя/приемника ультразвуковых волн по поверхности измеряемой среды, а расстояние от излучателя/приемника ультразвуковых волн по поверхности измеряемой среды – по времени прохождения ультразвуковой волны от передатчика датчика к поверхности среды и обратно к приемнику-регистратору.

Рис. Метод непрерывного измерения уровня жидкости по времени прохождения ультразвукового сигнала

Ультразвуковые датчики исполняют с одной (передатчик одновременно является приемником ультразвука) или двумя головками (отдельные передатчик и приемник ультразвука), что минимизирует границу «слепой зоны» - расстояния от датчика до среды, при котором излучаемый и обратный сигнал накладываются друг на друга. Все ультразвуковые датчики непрерывного измерения уровня жидкости характеризуются значительным рассеиванием излученного сигнала, что приводит к появлению существенного числа паразитных отражений от стенок, арматуры и конструктивных элементов корпуса, наслоений на стенках и пр.

Рис. Принцип работы ультразвукового датчика непрерывного измерения уровня жидкости.

Достоинства ультразвуковых датчиков непрерывного контроля уровня жидкости: нет контакта с измеряемой средой, могут использоваться для измерения уровня сильнозагрязненных сред, малая зависимость от плотности измеряемой среды.

Недостатки ультразвуковых датчиков непрерывного контроля уровня жидкости: значительное рассеивание излучаемого потока ультразвуковых волн, что обуславливает большое количество паразитных сигналов, большая зависимость точности измерений от температуры, состава воздуха, наличия в нем пыли, грязи, водных паров, искажение результатов измерений при наличии пены на поверхности измеряемой среды, зависимость точности от турбулентности измеряемой среды, достаточно большие «слепые» зоны из-за сравнительно малой скорости ультразвука (в сравнении, например, с микроволновым электромагнитным излучением).

Таблица. Время прохождения расстояний ультразвуковыми и электромагнитными волнами.

Радарные электромагнитные датчики (микроволновые радарные уровнемеры) отличаются от ультразвуковых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: использованием передатчика/приемника микроволнового излучения электромагнитного спектра, меньшими размерами «слепой зоны» благодаря более высокой скорости прохождения через воздух электромагнитной волны, независимостью работы и измерений от пакета факторов, влияющих на распространение ультразвука в воздухе.

Рис. Радарный электромагнитный датчик измерения уровня жидкости (микроволновой радарный уровнемер)

Достоинства и недостатки радарных электромагнитных датчиков непрерывного измерения уровня жидкости почти аналогичны датчикам на базе измерения и регистрации времени прохождения ультразвукового сигнала.