Plovákové snímače hladiny vody: typy a použití v různých podmínkách
Struchaev I.V. 1, Kharitonov Y.S. 1
1 Polytechnický institut (pobočka) Federálního státního autonomního vzdělávacího institutu pro vyšší vzdělávání „NEFU pojmenované po. M.K. Ammosova“ v Mirny
Práce ve formátu PDF
Text práce je umístěn bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce “Job Files” ve formátu PDF
UDC 621.31
PŘEHLED SNÍMAČŮ HLADINY KAPALNÝCH A PEVNÝCH LÁTEK
Úvod Snímače hladiny jsou zařízení, která umožňují sledovat množství kapalné nebo zrnité látky podle úrovně jejího povrchu v určité nádobě. Snímače hladiny mohou produkovat diskrétní (při dosažení určité hladiny) nebo spojitý signál (absolutní výška aktuální hladiny) v závislosti na principu činnosti, což ovlivňuje jejich technickou náročnost a také cenu. Hladinové snímače mohou být navíc kontaktní nebo bezkontaktní, což také ovlivňuje cenu a rozsah jejich aplikace.
Hladina je výška naplnění technologického zařízení pracovním médiem s kapalinou nebo zrnitým tělesem. Úroveň pracovního prostředí je technologický parametr, jehož informace jsou nezbytné pro řízení provozního režimu technologického zařízení, v některých případech i pro řízení výrobního procesu. Měřením hladiny můžete získat informace o hmotnosti kapaliny v nádržích. Tyto informace jsou široce používány pro provádění transakcí se zásobami a pro řízení výrobního procesu.
Existují hladinoměry určené k měření úrovně pracovního prostředí; měření hmotnosti kapaliny v technologickém zařízení; signalizace mezních hodnot úrovně pracovního prostředí.
Hladinové spínače jsou nejběžnější automatizační zařízení. Principy fungování těchto zařízení jsou velmi rozmanité a jsou určeny jak fyzikálními vlastnostmi prostředí, tak zadávanými úkoly. Při signalizaci hladiny sypkých suchých látek ultrazvukové radary, hmotnostní měřiče kontejneru s produktem, systémy založené na měření útlumu ultrazvukové vlny šířící se po stěně kontejneru od zářiče umístěného v úrovni nastavení alarmu do používají se přijímače umístěné vodorovně v určité vzdálenosti. Existují také radioizotopová zařízení, která osvětlují stěnu kontejneru, na jehož opačné straně je Geigerův počítač. Pro signalizaci hladiny kapalin je k dispozici mnohem více zařízení. Pokud kapalina není elektricky vodivá, pak se kromě výše uvedeného použijí kapacitní snímače – kdy se do nádrže v poplachové hladině vloží dvojice sousedních elektrod, izolovaných fluoroplastovou fólií. Když kapalina pokryje elektrody, její dielektrická konstanta zvyšuje elektrickou kapacitu, jejíž změna je měřena elektrickým obvodem snímače. Nejčastěji se používají plovoucí a vibrační alarmy. U plovákových snímačů, kterých existuje mnoho různých provedení, se při vyplavení plováku spustí jazýčkový spínač nebo bezkontaktní prvek. Základem vibračního alarmu je LC – nízkofrekvenční generátor. V indukčním poli je umístěn mechanický rezonátor ve formě ladičky. Když se kapalina dotkne plátků rezonátoru, útlum mechanických vibrací se značně zvýší a generování je narušeno. Signalizační obvod vytváří externí signál, když je dosaženo požadované úrovně. Kromě výše uvedených způsobů se signalizace hladiny elektricky vodivých kapalin nejčastěji provádí pomocí monitorovacích elektrod. Princip činnosti spočívá v měření elektrického odporu mezi řídicí elektrodou a společným vodičem. Aby se eliminoval účinek polarizace elektrod, ve kterých je elektroda pokryta filmem produktů elektrolýzy, který špatně vede elektrický proud, řízení se provádí výhradně na střídavý proud. Nejčastěji se tímto způsobem měří hladina vody. Typicky je napětí na řídicích elektrodách přibližně 6 V a elektronický obvod se spustí, když je odpor v obvodu řídicí elektrody nižší než 3 kOhm. Obvod alarmu má symetrický vstup pro obě půlvlny řídicího napětí. Napětí generované na měřicím odporu je usměrněno a přivedeno na vstup prahového prvku, na jehož výstupu je připojeno relé nebo bezkontaktní prvek.
Navzdory skutečnosti, že v posledním desetiletí byl arzenál přístrojů pro měření hladiny doplněn o nový vývoj, podle různých zdrojů zůstávají plovákové snímače hladiny kapalin a kapacitní snímače hladiny na světové špičce. Jejich celkový podíl mezi celou řadou hladinových snímačů je 40 %. Přitom 25 % všech typů hladinových snímačů jsou plovákové a 15 % kapacitní. Což není překvapivé: 80 % úloh měření hladiny zahrnuje měření hladiny kapalin a plovákové senzory jsou zde optimální díky své jednoduchosti konstrukce a ekonomické proveditelnosti.
Podle principu činnosti mohou být snímače hladiny: kapacitní, plovákové, radarové, ultrazvukové, hydrostatické.
Kapacitní snímač hladiny. Činnost tohoto typu snímače je založena na schopnosti kondenzátoru měnit svou kapacitu, když se mění složení a rozložení dielektrického materiálu oddělujícího desky kondenzátoru. Tato vlastnost se používá v mnoha kapacitních detektorech, jako jsou kapacitní senzory vlhkosti.
Předpokládejme, že máme koaxiální kondenzátor umístěný v kapalině (obrázek 1), který může volně pronikat do prostoru mezi deskami. Pokud je známa dielektrická konstanta kapaliny, lze sestavit následující rovnici:
C – Celková kapacita kondenzátoru;
С – Kapacita části kondenzátoru, která neobsahuje kapalinu;
Сl – Kapacita sekce kondenzátoru obsahující kapalinu;
ε – Dielektrická konstanta plynného média;
εl – Dielektrická konstanta kapalného média;
G – Geometrický koeficient části kondenzátoru, která neobsahuje kapalinu;
Gl – Geometrický koeficient průřezu kondenzátoru obsahujícího kapalinu.
Při změně hladiny kapaliny se změní i hodnota celkové kapacity kondenzátoru. Pokud je kondenzátor připojen k elektrickému obvodu, není obtížné sledovat změnu kapacity, podle které lze jasně posoudit změnu hladiny kapaliny.
Rýže. 1. Obecné schéma kapacitního snímače hladiny.
Kapacitní senzory nemají žádné pohyblivé prvky, takže jsou docela spolehlivé a odolné. Mezi jejich nevýhody patří značná teplotní závislost (která se však dá kompenzovat), stejně jako nutnost ponoření do kapaliny.
Plovákový snímač hladiny. Senzory tohoto typu mají poměrně jednoduchou konstrukci. Existuje několik konfigurací, které vydávají jak diskrétní, tak spojité signály, ty lze rozdělit do dvou kategorií – mechanické a magnetostrikční. Magnetostrikční snímače využívají jako jeden z prvků také plovák, ale jinak jsou značně odlišné od běžných mechanických plovákových snímačů.
Diskrétní plovákové snímače hladiny. Implementace senzoru, který produkuje diskrétní signál, obvykle používá sadu plováků umístěných na různých úrovních nádrže. Když kapalina dosáhne úrovně, na které se nachází plovák, je vytlačena ven vlivem Archimedovy síly směřující nahoru. To pohání mechanický systém nebo elektromechanický systém a výstupní signál vzniká například při sepnutí elektrických kontaktů jazýčkového relé.
Alternativní konfigurace má průvodce obsahující sadu relé. Plovák obsahující permanentní magnet se pohybuje podél vodítka po hladině kapaliny. Přiblížení plováku k relé způsobí jeho činnost (obrázek 2).
Rýže. 2. Obecné schéma plovákového snímače hladiny s diskrétním výstupem.
Diskrétní výstupní signál může být použit pro „krok za krokem“ sledování hladiny kapaliny v nádrži – snímač jednoduše hlásí, zda hladina kapaliny dosáhla určité úrovně nebo ne. Také snímač hladiny s diskrétním výstupním signálem může sloužit jako prvek autonomního regulátoru v případě, kdy je například potřeba udržovat konstantní hladinu kapaliny v nádrži – pro realizaci tohoto obvodu může výstupní signál přímo ovládat výkonové relé, které otevírá/zavírá vstupní/výstupní ventil nádrže.
Diskrétní plovákové snímače jsou levné, jednoduché a docela spolehlivé, ale vyžadují ponoření do kapaliny a mají pohyblivou mechaniku.
Magnetostrikční plovákové senzory. Plovoucí snímače, které produkují spojitý signál, jsou obvykle snímače magnetostrikčního typu a mají poměrně složitou strukturu (obrázek 3). Hlavním designovým prvkem je stále plovák, v tomto případě obsahuje permanentní magnet. Plovák se může volně pohybovat po vodítku, uvnitř kterého je vlnovod vyrobený z magnetostrikčního materiálu. S určitou periodicitou generuje elektronická jednotka snímače proudový impuls, který se šíří podél vlnovodu. Když pulz dosáhne oblasti, kde se nachází plovák, magnetické pole plováku a magnetické pole pulzu se vzájemně ovlivňují, což má za následek mechanické vibrace, které se šíří zpět podél vlnovodu a jsou detekovány citlivým piezoelektrickým prvkem. Podle časové prodlevy mezi vysláním proudového impulsu a přijetím mechanického impulsu lze posoudit vzdálenost k plováku a tím i hladinu kapaliny v nádrži.
Rýže. 3. Obecné schéma magnetostrikčního snímače hladiny.
Magnetostrikční senzory jsou velmi přesné, poskytují nepřetržitý signál a lze je použít i s flexibilním vlnovodem, což rozšiřuje jejich rozsah aplikací. Mezi jejich nevýhody patří jejich cena, technická náročnost a nutnost ponoření do kapaliny.
Radarový snímač hladiny. Snímač hladiny je postaven na principu chirpového radaru, známější zahraniční transkripcí je FMCW. Jedná se o jednu z klasických metod radarového (radarového) měření vzdálenosti, která umožňuje minimalizovat vliv parazitního rušení a rušení spojeného s nerovností (neklidem) povrchu měřeného výrobku.
Princip činnosti zařízení je následující. Mikrovlnný generátor hladinového snímače generuje rádiový signál, jehož frekvence se v čase mění podle lineárního zákona (obrázek 4) (lineární frekvenčně modulovaný signál). Tento signál je vyzařován ve směru produktu, odráží se od něj a část signálu se po určité době v závislosti na rychlosti světla vrací zpět do antény. Vyzařovaný a odražený signál se smísí ve snímači hladiny (obrázek 4) a v důsledku toho se vytvoří signál, jehož frekvence je rovna rozdílu mezi frekvencemi přijímaného a vysílaného signálu Δf (obrázek 4), úměrně doba šíření tres, a podle vzdálenosti od antény k měřenému produktu. Další zpracování signálu je prováděno mikroprocesorovým systémem hladinového snímače a spočívá v přesném určení frekvence výsledného signálu a přepočtu jeho hodnoty na hodnotu hladiny naplnění nádrže.
Zpracování signálu v hladinových snímačích je postaveno pomocí procesorů digitálního zpracování signálu (DSP) a díky tomu, stejně jako použití originálních algoritmů a technologií, probíhá v reálném čase bez dlouhodobého hromadění informací typických pro klasický chirp. vlnové (FMCW) radarové hladinoměry.
Rýže. 4. Obecný princip činnosti snímače hladiny radarového typu.
Tato metoda je zdaleka technologicky nejpokročilejší a nejpokročilejší. Mezi výhody senzoru založeného na ní patří: absence pohyblivých prvků; nedostatek kontaktu s kapalným médiem; všestrannost – schopnost pracovat s téměř jakýmkoliv prostředím za různých podmínek; vysoká přesnost; schopnost přizpůsobit algoritmus zpracování dat pro konkrétní aplikace. Hlavní nevýhodou radarových senzorů je jejich cena.
Ultrazvukový snímač hladiny. Tento typ snímače používá obvod, který je v mnoha ohledech podobný obvodu snímače radarového typu. V nádrži je instalován blok skládající se z generátoru a přijímače ultrazvukových vln (stejně jako např. u ultrazvukových průtokoměrů a ultrazvukových defektoskopů). Záření z generátoru SW prochází plynným prostředím, odráží se od povrchu kapaliny a dopadá na přijímač. Stanovením časové prodlevy mezi vysíláním a příjmem a znalostí rychlosti šíření ultrazvuku v daném plynném prostředí lze vypočítat vzdálenost k povrchu kapaliny – tedy určit její hladinu.
Ultrazvukové snímače hladiny mají téměř všechny výhody snímačů radarového typu, nicméně UD mají obvykle nižší přesnost, i když jsou ve své vnitřní struktuře jednodušší.
Rýže. 5. Příklady použití ultrazvukových senzorů.
Hydrostatický snímač hladiny. Pomocí snímačů tohoto typu se zjišťuje hladina kapaliny v nádrži měřením hydrostatického tlaku sloupce kapaliny nad citlivým prvkem snímače (detektor tlaku). Podle závislosti je výška sloupce určité kapaliny úměrná tlaku v daném bodě:
P – Tlak v daném bodě;
ρ – Hustota kapaliny;
g – gravitační zrychlení;
h – Výška sloupce kapaliny nad citlivým prvkem.
Rýže. 6. Měření hladiny v uzavřených nádržích pomocí snímače hydrostatického tlaku.
Takové snímače jsou kompaktní, relativně jednoduché, levné a jsou také schopné produkovat nepřetržitý signál, ale nejsou bezkontaktní, což ztěžuje jejich použití v agresivním prostředí.
Závěr. Snímače hladiny diskutované v tomto článku jsou počáteční, ale nezbytnou a důležitou fází automatizace systémů měření a údržby hladiny. Správný výběr fyzikálního principu činnosti snímače, který zaručuje přesný, spolehlivý a stabilní provoz zabezpečovacího zařízení v reálných průmyslových podmínkách, je klíčem ke stabilitě fungování celého technologického procesu a kvalitě hotového výrobku. . Kromě kompatibility fyzikálního principu jsou však důležitá i další kritéria pro výběr snímačů hladiny, která je třeba vzít v úvahu: elektrické, mechanické rozhraní, spolehlivost, cena systému, dostupnost.
Reference:
Při automatizaci různých procesů často vyvstává úkol kontrolovat hladinu kapaliny v nádrži. Obvykle je nutné udržovat hladinu ve specifikovaných mezích ovládáním zapínání/vypínání čerpadla nebo otevíráním/zavíráním přívodního nebo vypouštěcího ventilu. Ve všech těchto případech je potřeba zaznamenat, zda kapalina dosáhne dané hladiny. Pro tento úkol je ideální plovákový snímač hladiny.
Plovákový spínač (nebo “úrovňový spínač”)
Plovákový spínač se často nazývá „hladinový spínač“. Princip činnosti plovákového spínače je skutečně velmi podobný jako u elektromagnetického relé.
Hladinové relé, stejně jako běžné relé, má normálně otevřené (NO) a normálně uzavřené (NC) kontakty, které při spuštění zařízení změní svůj stav na opačný. Na rozdíl od elektromagnetického relé se však plovákový senzor spouští, když „plave“ (když kapalina dosáhne úrovně, na které se plovák nachází).
Základní parametry plovákových snímačů
Při výběru plovákového senzoru pro konkrétní aplikaci se musíte zaměřit na následující základní parametry:
1. Způsob instalace snímače
Snímač lze instalovat na svislou (a) nebo vodorovnou (b) plochu.
Při návrhu místa instalace je také nutné vzít v úvahu délku ponořené části: ta musí být dostatečná pro registraci požadované hladiny kapaliny.
2. V jakých prostředích je senzor navržen pro provoz?
Je třeba vzít v úvahu také materiál, ze kterého je snímač vyroben. Musí být kompatibilní s pracovním prostředím. Pro práci v domácích systémech ve vodním prostředí je vhodný jakýkoli senzor, včetně plastového. Pro chemicky agresivní prostředí a práci při vysokých teplotách se používají snímače odolné vůči korozi a teplu.
3. Délka ponoru
Délka ponorné části určuje, jakou maximální hladinu lze měřit. Tento parametr je třeba vzít v úvahu ve vztahu k zamýšlenému místu instalace.
4. Maximální spínací proud
Je třeba vzít v úvahu, že při použití plovákového snímače k zapnutí/vypnutí napájecího zařízení (například čerpadla) prochází celý napájecí proud kontakty snímače. Překročení maximální přípustné úrovně spínacího proudu povede k přehřátí a poruše elektrické části snímače. Při výběru hladinového relé je proto nutné zjistit jmenovitý proud spínaného zařízení.
5. Počet registrovaných úrovní
Jeden snímač může zaznamenávat několik úrovní najednou. V podstatě se jedná o několik senzorů v jednom provedení.
Plovákový spínač – spínač čerpadla
Klasickou aplikací hladinových spínačů je ovládání zapínání a vypínání čerpadel. Následující obrázek ukazuje dva způsoby připojení snímače hladiny k okruhu čerpadla: pro plnění nádrže a pro odčerpávání.
Jak již bylo zmíněno, hladinové relé má NO a NC kontakt. Na obrázku tvoří hnědý a modrý vodič normálně otevřený kontakt a černý a modrý vodič tvoří normálně uzavřený kontakt.
V prvním případě (režim čerpání vody) je čerpadlo napájeno přes NO kontakt (není sepnut ve spodní poloze čidla). Když hladina kapaliny dosáhne předem stanovené úrovně (snímač vyplave nahoru), jeho NO kontakt se sepne, zapne čerpadlo a začne čerpat kapalinu. Čerpadlo poběží, dokud senzor opět neklesne
Když čerpadla běží na plnění, je situace opačná. Čerpadlo je napájeno přes rozpínací kontakt snímače. To znamená, že když je snímač ve spodní poloze, je tento kontakt sepnut a čerpadlo běží, zásobník je naplněn kapalinou. Jakmile senzor vyplave, jeho NC kontakt se otevře a vypne čerpadlo.
Registrace hladiny vody v uzavřené nádrži (alarm hladiny)
Plovákové spínače se často používají k indikaci hladiny kapaliny v uzavřené nádrži. Kontakty snímače spínají signální kontrolky na rozvaděči. Pro tyto účely lze využít i specializované zařízení – hladinoměr. V tomto případě jsou signály ze snímačů přiváděny na vstupy zařízení. Na obrázku je příklad záznamu hladiny vody pomocí hladinového detektoru SAU-M6 od firmy OWEN.