Датчики уровня заполнения. Измерение заполнения
Рассмотрены физические основы работы и принципы построения датчиков уровня заполнения. Описание конструкций, общие характеристики, условия применения.
В зависимости от области промышленности и условий, в которых предполагается использование датчиков уровня заполнения, к ним предъявляются те или иные требования. Планируя использование уровнемера необходимо знать физико-химические свойства заполняющих материалов (вязкость, электропроводность, радиоактивность, абразивность и др.), внешние условия измерения - температура, давление, агрессивность среды и др.
Существует довольно много физических эффектов и свойств материалов, на основе которых могут быть разработаны и изготовлены датчики (измерительные преобразователи) уровня заполнения.
Измерение с помощью поплавка
В качестве чувствительного элемента датчика уровня заполнения жидкости используется поплавок. В качестве поплавка, как правило, используют шаровидные тела, плотность которых меньше плотности жидкости. Передача информации от датчика об уровне заполнения может осуществляться механически с помощью различных роликов, зубчатых колес, тросиков или используют электрические системы передачи данных (соединяют перемещение с переменным резистором и др.). Для передачи данных могут быть использованы также пошаговые выключатели, посылка импульсов, магнитная передача перемещения поплавка, индуктивные датчики перемещения.
Погрешности измерения в таких устройствах в основном возникают за счет изменения плотности заполняемой жидкости или изменения условий передачи данных (трение, люфты и др.).
Емкостной метод измерения уровня заполнения. Емкостные датчики уровня
Емкостной метод измерения уровня дает возможность измерять заполнение порошкообразных, вязких, зернистых материалов. Емкостным методом измеряют уровни порошкообразных пищевых продуктов, зерна, стиральных порошков, цемента, песка, угольной пыли, мазута, топлива, воды, кислот и щелочей и др. Емкостной метод позволяет проводить непрерывные измерения. Погрешность такого метода 2-3 %.
Емкостной метод работы датчиков основан на измерении электрической емкости (использовании принципа работы конденсатора). Конденсатор образуется стенкой резервуара и щупом, который погружен в содержимое резервуара. Емкость, как правило, измеряют, применяя напряжение высокой частоты. Емкость изменяется в зависимости от уровня заполнения. Емкость равна сумме емкостей погруженного участка и участка находящегося в воздушной среде. Возникает параллельное соединение двух емкостей, при котором общая емкость суммируется. Точность зависит от конструкции зонда и правильности размещения. Зонд изготавливается из тросика, стержня или трубки. При необходимости (при измерении уровня электропроводящих материалов) снабжается изоляционным покрытием.
русский / english
Главная >> Сила, давление >> Датчики уровня заполнения. Измерение заполнения
Рис.1. Расположение электродов при емкостном методе измерения. 1 - частично или полностью изолированный электрод, 2 - трубчатый электрод, 3, 4 - электроды в виде тросиков, 5 - электрод противоположного знака, 6 - металлическая лента
Рис. 2. Конструкция ультразвукового сигнализатора уровня. 1 - излучатель, 2 - приемник
На рис.1 показаны различные конструкции зондов в емкостном методе измерения уровня заполнения.
Если резервуар выполнен из диэлектрического материала, необходимо предусмотреть отдельный противоположный электрод. Иногда в конструкциях уровнемеров используют цилиндрический конденсатор, который открытым концом погружается в измеряемую среду.
Емкостной метод определения уровня заполнения является универсальным. Зонды, датчики которые выполнены в виде цилиндрического или пластинчатого конденсатора могут применяться только для измерения уровня заполнения жидких материалов.
Измерение уровня заполнения на основе электропроводимости
Датчики уровня заполнения на основе электропроводности и метод могут быть использован только для измерения уровня проводящих жидких материалов.
Принцип измерения основан на изменении электрического сопротивления между двумя электродами при их погружении в заполняющий емкость материал. Сопротивление уменьшается при погружении. Данный метод и датчики нашли применение для измерения уровня заполнения в паровых котлах. Недостатком метода является то, что он может применяться только для измерения уровня электропроводящих жидких материалов.
Гидростатический и пневматический методы измерения уровня
Методы могут использоваться для измерения уровня любых жидкостей. В гидростатическом методе используется давление жидкости на дно сосуда и его изменение при изменении уровня. В пневматическом методе измерения уровня в резервуар принудительно необходимо подавать воздух или защитный газ. Метод и датчики используют в паровых котлах, реакторах и др.
Давление на дно емкости с жидкостью может измеряться в открытых резервуарах с помощью обычного или дифференциального манометра. В закрытых резервуарах, в которых жидкость может находиться под давлением, только дифференциальным манометром. Давление зависит от высоты столба жидкости и от ее плотности. Если манометр установлен не на уровне дна, то необходимо вносить поправку.
Пневматический метод измерения уровня заполнения заключается в том, что в жидкость, уровень которой необходимо измерять погружают трубку на определенный уровень. Через специальный дроссель в трубку подают воздух (или какой либо газ). Давление в трубке и соответственно над дросселем равно давлению столба жидкости (и зависит, соответственно от уровня жидкости) относительно нижнего края трубки. Такие измерения называют измерениями способом барботирования газа. Материал трубки выбирают, учитывая физические и химические свойства жидкости.
Преимуществами этих рассмотренных методов и датчиков измерения уровня заполнения является их достаточно высокая степень надежности.
Ультразвуковой метод измерения уровня. Ультразвуковые датчики
Ультразвуковой метод измерения заполнения может использоваться для жидких и сыпучих материалов. Его нельзя использовать только в случае если жидкость содержит твердые частицы, что может приводить к большим погрешностям измерения. Данный метод измерения позволяет легко автоматизировать процесс измерения.
Для осуществления ультразвукового метода измерения уровня заполнения необходимо иметь источник ультразвуковых волн (излучатель) и приемник. Как правило, используют частоты от 20 кГц до нескольких мегагерц. Для получения ультразвуковых колебаний существует два способа: пьезоэлектрический и магнитострикционный.
Мерой уровня может служить, например, время прохождения ультразвукового луча. Скорость луча зависит от среды распространения. Такой способ измерения уровня может служить для сигнализации предельных величин уровня заполнения (см. рис. 2). При заполнении определенного пространства ультразвуковое устройство посылает сигнал.
Но для жидкостей удобнее и точнее метод ультразвукового измерения уровня по принципу эхолота. Ультразвук распространяется в пространстве над жидкостью, отражается от поверхности (границы раздела воздух-жидкость) и по времени возврата к приемнику определяется уровень заполнения.
Одним из основных преимуществ ультразвукового датчика уровня является возможность его применения в труднодоступных местах.
Рис. 3. Некоторые варианты расположения излучателей при измерении уровня с помощью радиоактивных изотопов. 1 - несколько излучателей, 2 - использование стержневидного препарата
Датчики уровня заполнения на основе радиоактивных изотопов. Метод измерения
Датчики уровня на основе радиоактивных изотопов, как правило, используют там, где нельзя провести измерения с помощью обычных датчиков. Чаще всего метод измерения уровня на основе радиоактивных изотопов применяется для измерения уровня агрессивных материалов, в резервуарах с высокой температурой, на металлургических предприятиях, таких материалов как уголь, руда и др.
Работа датчиков основана на явлении поглощения радиоактивного излучения материалами, содержащимися в резервуаре. На практике измеряют, как правило, толстые слои материалов, поэтому чаще всего в таких датчиках используют γ-лучи. Пучок γ-лучей проходит через резервуар по прямой линии. На противоположной стенке резервуара располагается приемник излучения. Интенсивность лучей, попадающих на приемник, зависит от степени поглощения их материалом. Конструкции датчиков и систем измерения уровня заполнения с помощью радиоактивных изотопов могут быть различны, в зависимости от технических условий и требований.
Если необходим датчик уровня, работающий по принципу сигнализатора, то конструкция его, примерно, такая же, как на основе ультразвукового излучения (см. рис. 2 ). При изменении уровня и перекрытии материалом луча происходит срабатывание датчика и измерительной системы.
Если необходимо непрерывное измерение уровня заполнения, то используют другие конструкции датчиков и методы измерения. Например, когда на стенке резервуара располагается несколько излучателей, лучи от которых направлены к приемнику (рис.3-1). При изменении уровня материала перекрывается часть лучей и интенсивность излучения, попадающего на приемник, изменяется. Бесступенчатую характеристику (исключая граничные области) датчика уровня можно получить, если использовать вместо нескольких излучателей стержневой препарат излучения. Его называют стержневидный препарат профессора Бертольда (рис.3-2).
Преимуществами рассмотренного метода измерения уровня являются: отсутствие контактов, возможность измерения в особо сложных условиях, эксплуатационная надежность.
Другие методы и датчики измерения уровня заполнения
Измерение уровня с помощью датчиков температуры - термопар, терморезисторов. Такой способ измерения возможен для жидких не агрессивных материалов. Принцип измерения основывается на отличии температуры материала в резервуаре от внешней температуры. Конструкции таких измерительных преобразователей разные, зависят от требований и условий измерения.
Измерения с помощью динамометров. По сути, происходит взвешивание резервуара и материала в нем. Метод пригоден для измерения уровня заполнения сыпучих материалов, агрессивных материалов. Конструкции измерительных систем могут быть разными и разрабатываются в соответствии с техническими требованиями.
Измерение уровня заполнения может осуществляться также с помощью концевых выключателей с вибрирующими чувствительными элементами, измерение посредством вытеснительного тела и др. Существуют датчики уровня на основе интерферометрического метода. Здесь используются лазерные лучи для измерений расстояния.
Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал © 2011→ Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки
• Представлена информация о различных преобразователях и датчиках физических величин, параметров различных физических процессов.
• Электрофизические свойства и эффекты в различных электротехнических материалах.
• Теория, экспериментальые результаты, практическое применение
Смотрите также:
