Контроль уровня жидкости

Измерение уровня жидкостей и сыпучих материалов играет важную роль во многих технологических процессах, как в бытовом секторе, так и в промышленных отраслях.

Типы датчиков

Для измерения уровня могут использоваться датчики самых различных типов – поплавковые, вибрационные, ультразвуковые, емкостные, кондуктометрические, индуктивные и т.д.  Выбор зависит в первую очередь от физических и химических свойств контролируемой среды – вязкости, электрической проводимости, температуры, химической агрессивности и т.д.

Также, в зависимости  от технологического объекта и условий эксплуатации, выбирается метод измерения — контактный или бесконтактный.

Бесконтактный способ предпочтителен там, где есть риски засорения или коррозии прибора. Это относится в первую очередь к агрессивным, вязким, пенящимся средам.

Наибольшим спросом среди бесконтактных датчиков пользуются ультразвуковые и радарные, принцип работы которых основан на зондировании рабочей зоны и определения расстояния до контролируемого объекта при помощи ультразвуковых волн, либо электромагнитного излучения.

Еще одной важной характеристикой датчиков уровня является режим работы. В зависимости от этого, все датчики можно разделить на две основные группы — датчики достижения заданного уровня и датчики непрерывного измерения.

Датчики заданного уровня измеряют значение в определенной точке. При достижении этой отметки, происходит срабатывание датчика и на выходе появляется дискретный сигнал.

Такие датчики чаще всего  используются для сигнализации и называются сигнализаторами уровня.

Датчики второго типа непрерывно отслеживают значение уровня и преобразовывают это значение в аналоговый сигнал. Обычно в качестве выходного сигнала используется стандартный унифицированный сигнал 4 — 20 мА.

В качестве датчиков непрерывного действия могут применяться ультразвуковые, емкостные, дифференциальные датчики давления и т.д.

Далее рассмотрим некоторые основные виды датчиков, которые часто встречаются как на промышленных объектах, так и в частном хозяйстве.

Поплавковые датчики

Типичным и наиболее простым примером являются поплавковые датчики уровня, которые нередко используются в бытовых целях, как для определения предельного уровня жидкости, так и  для защиты насосов от сухого хода.

В зависимости от конструкции, они могут быть нескольких типов. Наибольшее распространение получили механические и герконовые датчики, во многом благодаря своей простоте и невысокой цене.

В основе работы герконовых датчиков лежат поплавок с магнитом и пара герконов, расположенных, обычно, в нижней и верхней контрольных точках. При изменении уровня жидкости поплавок поднимается или опускается, вызывая срабатывание геркона, который в свою очередь замыкает управляющую цепь.

Количество герконов в таких датчиках может варьироваться, чаще всего от двух и выше. Таким образом, можно контролировать уровень в нескольких точках.

Магнитострикционные датчики применяются в основном в различных отраслях промышленности – пищевой, химической, нефтяной.

В основе своей конструкции они содержат волновод и  поплавок с расположенным в нем постоянным магнитом. Под действием магнитных полей тока и двигающегося магнита, в волноводе возникают торсионные импульсы, распространяющиеся в оба конца волновода. В одном конце они полностью гасятся, а на другом принимаются преобразователем импульса. Прибор анализирует время распространения импульсов и преобразует его в выходной сигнал.

Кондуктометрические датчики

Еще одними, часто используемыми, являются кондуктометрические датчики уровня, или кондуктометрические зонды,  которые могут применяться  для контроля уровня  различных электропроводных жидкостей, например воды, кислотно-щелочных растворов, солевых растворов и т.д.

Они представляют собой металлические электроды, один из которых является общим для всех, а остальные – сигнальными, расположенными на соответствующих уровнях. Если корпус резервуара металлический, то он и выступает в качестве общего электрода.

По мере заполнения емкости электроды соприкасаются с жидкостью, происходит замыкание электрических цепей между общим и соответствующими сигнальными входами.

Далее сигнал уже передается на регулирующее устройство, в качестве которого может выступать, например, реле контроля уровня.

Вибрационные датчики уровня

Более сложными датчиками, промышленного назначения, являются датчики вибрационного типа, к примеру, VEGASWING 61, которые способны работать практически с любыми типами жидкости. Диапазон вязкости измеряемой жидкости для данного датчика составляет  0,2 … 10.000 mPa, а диапазон плотности от 0,5 g/cm3 до 2,5 g/cm3.

Они имеют на конце вибрирующую вилку, которую приводят в действие пьезоэлементы, заставляя вибрировать на частоте механического резонанса примерно 1200 Hz.

Если вибрирующая вилка погружена в измеряемый продукт, изменяется частота резонанса. Эти изменения регистрируются встроенной электроникой и преобразуются в  сигнал переключения.

Под крышкой датчика расположен электронный блок управления, на котором находятся два DIP-переключателя. Один из них — A/B переключатель отвечает за режим работы (переполнение/низкий уровень), а вторым регулируется точка переключения, в зависимости от плотности измеряемой жидкости. Заводская установка соответствует плотности измеряемого продукта > 0,7 g/cm3. Если плотность материалов меньше, необходимо установить переключатель на > 0,5 g/cm3 .

Управление уровнем воды в емкости

В завершении статьи хотел привести пример простой системы управления уровнем воды в резервуаре со световой индикацией состояния.

В этом примере используются три сигнализатора для управления уровнем в фиксированных точках (низкий, средний и высокий уровни). Контроллер используется для управления двигателем насоса на основе состояния сигнализаторов. Для индикации состояния используются три световых индикатора.

При срабатывании сигнала датчика низкого уровня, включается насос и работает до тех пор, пока не будет достигнут верхний уровень. При этом горит индикатор низкого уровня HL1, который выключится при достижении среднего уровня.

При срабатывании датчика среднего уровня загорается лампа HL2, сигнализирующая о заполнении емкости наполовину. При этом насос остается включенным.

Когда жидкость достигнет высокого уровня, насос выключается и загорается лампа HL3.

Для решения этой задачи потребуется задействовать три входа ПЛК и четыре выхода.

Входы:

• Сигнализатор низкого уровня  (LE1) – Low_Level (I0.0),
• Сигнализатор среднего уровня (LE2) – Half_Level (I0.1),
• Сигнализатор верхнего уровня (LE3) – High_Level (I0.2)

Выходы:

• Насос — Pump (Q0.3),
• Индикатор низкого уровня (HL1) – LAMP1 (Q0.4),
• Индикатор среднего уровня (HL2) – LAMP2 (Q0.5),
• Индикатор верхнего уровня (HL3) – LAMP3 (Q0.6)

Сама программа имеет следующий вид:

При низком уровне (LE1) включается насос и лампа 1. Индикатор низкого уровня устанавливается в положение включено до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет среднего значения, после чего он будет выключен.

Когда уровень достигает среднего датчика (LE2), включается лампа 2, при этом насос остается включенным. Лампа индикации низкого уровня выключается.

При достижении верхнего уровня (LE3) включится лампа 3. При этом отключаются двигатель насоса и лампа 2, так как нормально-замкнутый (NC) контакт будет разомкнут.