Контроль уровня жидкости в резервуаре

Многие системы автоматизации требуют измерения уровня. И есть множество промышленных отраслей, где измерение уровня необходимо. На сегодняшний день существует множество датчиков уровня, позволяющих измерять многие физические величины, связанные с количеством в резервуаре того или иного материала.

Самые первые датчики уровня работали только с жидкостями, но теперь, благодаря прогрессу, есть датчики и для сыпучих материалов. Уровнемеры и сигнализаторы уровня позволяют непрерывно отслеживать уровень и контролировать достижение материалом заданного уровня. В данной статье мы подробно остановимся на видах современных уровнемеров.

Сегодня возможна работа датчиков уровня как с жидкостями, так и с сыпучими материалами и даже с газами, причем материал может находиться как в емкости, так и в трубопроводе. Датчики подразделяются на контактные и бесконтактные, и по способу монтажа могут быть предназначены для установки либо в корпус трубопровода или емкости с измеряемым материалом, либо над измеряемым материалом.

Первые датчики уровня работали по простому принципу поплавка и использовали метод замыкания контактов материалом. Теперь же датчики претерпели усовершенствования, они содержат в своей конструкции схемы, обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций, таких как измерение объема, скорости расхода, сигнализация о достижении предельной границы и т. д. Результаты измерений могут обрабатываться и храниться.

Работает ли отрасль с жидким, вязким, газообразным, сыпучим, липким, пастообразным материалом, всегда можно подобрать подходящий датчик уровня для работы в условиях соответствующей среды. Вода, раствор, щелочь, кислота, масло, нефть, гсм, гранулы пластика — спектр применения весьма широк, и датчики на различных физических принципах позволяют выбрать подходящий для конкретных условий и практически для любой задачи.

Оборудование датчика включает в себя две части: сам датчик и средство визуализации данных. Контактные и бесконтактные датчики, постоянное изменение и отслеживание границы — выбор возможностей датчиков сегодня достаточно богат.

Вид выбираемого датчика определяется особенностями промышленного процесса и средой, в которой датчик будет работать. Благодаря средствам визуализации, в процессе измерений могут составляться графики для анализа информации об уровне продукта, что немало облегчает автоматизацию.

Для осуществления непрерывного мониторинга уровня сыпучих материалов или жидкостей в естественных и искусственных резервуарах служат уровнемеры. Они с дискретностью от единиц миллисекунд до десятков секунд проводят замеры уровня.

Применяются для отслеживания уровня водных растворов, кислот, щелочей, спиртов и т. д., а также для сыпучих материалов. Бывают контактными и бесконтактными, а по физическим принципам совершенно разнообразны. Рассмотрим каждый тип более подробно.

Микроволновые радарные уровнемеры

Применяются для непрерывного отслеживания уровня, являются универсальными. Используют в работе явление отражения электромагнитной волны от границы раздела двух сред. Частота волн от 6 до 95 ГГц, и она тем выше, чем меньше диэлектрическая проницаемость измеряемого материала, например для нефтепродуктов частота волн должна быть максимальной. Но диэлектрическая проницаемость не должна быть выше 1,6.

Поскольку датчик работает как радиолокатор, помехи ему не страшны, а высокая частота волн сводит к минимуму паразитное влияние давления и температуры в емкости. Радарным датчикам с такими высокими рабочими частотами не страшны ни пыль, ни испарение, ни пена.

В зависимости от типа и размера антенны датчика, точность прибора может быть разной. Чем больше и шире антенна, тем мощнее и точнее будет сигнал, выше дальность, лучше разрешение. Точность микроволновых радарных датчиков в пределах 1 мм, они могут работать при температурах до +250 ºС, и измерять уровень до 50 м.

Радарные уровнемеры находят применение на многих производствах, где ведутся работы с сыпучими материалами: в строительстве, деревообработке, в химической промышленности, в пищевой промышленности, на производстве пластика, стекла и керамики. Применимы они и для измерения уровня жидкостей.

Используют акустические волны, которые при отражении от отслеживаемого вещества принимаются и обрабатываются. Программное обеспечение фильтрует полезный сигнал, распознавая паразитное эхо.

Сигнал подается мощным импульсом, поэтому потери и затухание минимальны. В зависимости от температуры сигнал компенсируется, и точность остается высокой, в пределах четверти процента. Датчик устанавливается вертикально либо под углом. Уровень изменения может достигать 60 метров. Рабочая температура до +150 ºС. Взрывозащищен.

Акустические уровнемеры служат на многих производствах, начиная от систем автоматизации для загрузочных кранов и систем контроля уровня сточных вод в септиках, заканчивая производством шоколада.

Отраженные от границы раздела двух сред, ультразвуковые колебания принимаются и замеряется промежуток времени между моментом отправки сигнала и его приемом. Дискретность составляет единицы секунд, это связано с конечной скоростью звука в воздухе. Предельный уровень измерения достигает 25 метров.

Программное обеспечение позволяет предварительно настроить датчик на отключение в период, когда под ним проходит какой-нибудь механизм, например лопасть мешалки. Возможно управление датчиком с компьютера. Устанавливается вертикально над материалом или под углом. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +90 ºС. Взрывозащищен.

Ультразвуковые уровнемеры применяются для контроля уровня сыпучих материалов во многих сферах, начиная с цементных заводов, заканчивая химической и пищевой промышленностью.

Измеряют давление жидкости на дно емкости. Деформация чувствительного элемента преобразуется в электрический сигнал. Необходима связь с атмосферой, поскольку производится замер дифференциального давления. Подходит для работы с водой и другими не агрессивными жидкостями, для паст и т. д. Может работать как в открытых, так и в закрытых помещениях, в бассейнах, скважинах и т. д.

Величина давления зависит от плотности жидкости и от ее объема в резервуаре, от высоты столба жидкости. Уровнемер может быть погружного или врезного типа, — либо для контакта с атмосферой выводится каппилярная трубка, либо преобразователь врезается непосредственно в дно резервуара.

При монтаже необходимо исключить ложную фиксацию давления струи жидкости при ее закачеке в резервуар. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +125 ºС.

Гидростатические уровнемеры находят широкое применение в химической промышленности в цистернах, в сфере ЖКХ в колодцах, в пищевой промышленности ими оснащаются емкости с жидкими продуктами, в металлургии, в фармацевтике, в нефтяной промышленности и т.д.

Зонд датчика и проводящая стенка резервуара образуют собой обкладки конденсатора. Вместо проводящей стенки может использоваться специальная трубка, которая надевается на зонд датчика или второй отдельный заземленный зонд. В качестве диэлектрика конденсатора служит вещество между обкладками — воздух или материал, уровень которого отслеживается.

Очевидно, при наполнении резервуара электроемкость конденсатора станет постепенно меняться. При пустом резервуаре электроемкость будет иметь конкретное значение, а в процессе вытеснения воздуха она изменится. Увеличение продукта в резервуаре меняет электроемкость конденсатора, образованного датчиком и резервуаром.

Электроника датчика преобразует изменение емкости в изменение уровня. Если форма резервуара необычная, то используют второй зонд, ибо обкладки образованного конденсатора должны быть расположены вертикально. Максимальный уровень достигает 30 метров. Точность не менее трети процента. Рабочая температура до +800 ºС, в зависимости от модели. Время задержки регулируется.

Емкостные датчики уровня в основном применяются для контроля уровня жидкостей в очень многих сферах, где необходимо поддерживать заданный уровень продукта: в производстве напитков, бытовой химии, на предприятиях добывающих воду, с сельском хозяйстве и т.д.

На направляющей расположен поплавок с постоянным магнитом. Внутри направляющей установлены магниточувствительные выключатели. Последовательное срабатывание выключателей при заполнении или опустошении резервуара приводит к изменению тока дискретными порциями.

Принцип настолько прост, что данные уровнемеры не требуют регулировки и поэтому недороги и популярны. Ограничения вносит лишь плотность жидкости. Рабочая температура до +120 ºС. Предел изменения 6 метров.

Магнитный уровнемер является экономичным решением для измерения уровня жидкостей во многих отраслях.

Микроволновые рефлексные уровнемеры

В отличие от радарных уровнемеров, здесь волна распространяется не по открытому воздуху, а вдоль зонда прибора, которым может быть трос или стержень. Волновой импульс испытывает отражение от границы раздела двух сред с различной диэлектрической проницаемостью, и приходит обратно, а время между моментом передачи и моментом приема фиксируется электроникой, и преобразуется в значение уровня.

Применение волновода позволяет избежать паразитного действия пыли, пены, бурления, а также влияния температуры окружающей среды. Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды не должна быть ниже 1,3е.

Рефлексные уровнемеры могут служить там, где радарные не смогут работать из-за диаграммы направленности, например в узких высоких резервуарах. Предел измерения 30 метров. Рабочая температура до +200 ºС. Точность в пределах 5 мм.

Рефлексные микроволновые уровнемеры могут использоваться для непрерывного контроля уровня не проводящих и проводящих жидкостей и твердых веществ, и для измерения их массы и объема. Применим во многих отраслях.

Сбоку в емкости располагается измерительная колонка. Жидкость заполняет трубку, ее уровень измеряется. Принцип сообщающихся сосудов. На поверхности жидкости в трубке плавает магнит, а вблизи трубки — магнитострикционный датчик, который преобразует расстояние до магнита в сигнал тока.

На трубке имеются индикаторные пластины разного цвета, которые под действием магнитного поля магнита меняют свое положение. Благодаря тому, что контакт жидкости со внешней средой отсутствует, байпасные уровнемеры применимы в пищевой и фармацевтической промышленности. Предел уровня измерений до 3,5 метров. Точность в пределах 0,5 мм. Рабочая температура до +250 ºС.

Байпасные уровнемеры применимы там, где требуется визуальный контроль за уровнем жидкостей: в теплоэнергетике, в химической промышленности, в сфере ЖКХ, в электроэнергетике, в пищевой и нефтегазовой отраслях.

В гибкой или жесткой направляющей находится поплавок с интегрированным магнитом. По направляющей расположен волновод, вокруг которого токовыми импульсами через катушку возбуждается радиальное магнитное поле. Когда это магнитное поле сталкивается с магнитным полем постоянного магнита поплавка, магнитострикционный волновод испытывает высокодинамичную пластическую деформацию.

Ультразвуковая волна, возникающая в результате этой деформации, распространяется вдоль волновода, и фиксируется электронным преобразователем на одном из его концов. Сопоставление по времени момента стартового импульса и времени возникновения импульса деформации определяет местоположение поплавка. Предел уровня измерений достигает 15 метров. Точность в пределах 1 мм. Рабочая температура до +200 ºС.

Магнитострикционные уровнемеры находят применение в химической промышленности при контроле уровня пенящихся жидкостей, в пищевой промышленности и в металлургии для контроля уровня жидких пищевых продуктов и топлива.

На тросе или ленте, намотанной на барабан, закреплен груз. При установке датчика на крышке резервуара, появляется возможность спустить груз вниз емкости. Электродвигатель вращает барабан, и груз спускается на тросе вниз. Когда груз касается поверхности замеряемого материала, натяжение троса ослабевает, и это является сигналом об уровне материала. Трос снова наматывается на барабан, поднимая груз обратно вверх.

Электроника считает уровень исходя из количества оборотов барабана. Для обнаружения веществ с плотностью от 20 кг на м3 такой датчик подойдет. Предел уровня измерения до 40 метров. Точность от 1 до 10 см в зависимости от модификации. Интервал измерений задается пользователем и может быть от 6 минут до 100 часов. Рабочая температура до +250 ºС.

Лотовые уровнемеры применяются на различных производствах для контроля уровня сыпучих материалов в автоматизированных системах.

Контроль уровня жидкости в резервуарах

Контроль уровня жидкости в резервуарах можно осуществлять традиционным методом с помощью метроштока и градуированных таблиц, современные же методы измерений предполагают применение зондов и датчиков непрерывного контроля: поплавковых (и буйковых), герконовых, вибрационных, гидростатических, кондуктометрических, емкостных, а также радиоволновых и ультразвуковых приборов на основе измерения и регистрации времени прохождения сигнала.

Среди достоинств первых можно назвать высокую точность измерений и неподвижность, в том числе в загрязненных жидкостях (осадок и слои фракций), простота монтажа и обслуживания. Недостатки — необходимость поддержания стабильности среды (подвижная регистрируются с ошибками), зависимость от плотности жидкости и атмосферного давления.

Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения измеряют коэффициенты отражения электромагнитных волн. В них поток волн фокусируется специальным погружным зондом-тросом. Такой контроль уровня универсален для различных веществ, точен даже в подвижной среде, не боится препятствий (наросты, выступы), независим от плотности и хим. агрессивности, электрической проводимости и температуры, давления и влажности.

НПФ «Политехника» предлагает принципиально новое решение по эксплуатации хранилищ топлива и сырой нефти с использованием в технологической обвязке насосно — раздаточного модуля в климатическом исполнении «Люкс Плюс». НРМ располагается в контейнере с утепленными металлическими стенами. Он разделен на две части, в одной размещен технологический блок, во второй — непосредственно модуль.

Управление модулем осуществляет КиП взрывобезопасного исполнения. В контейнере установлены вентиляция и обогрев, контроль за уровнем топлива производится с помощью массомера коммерческого учета топлива с программным обеспечением. НРМ также включает: насосный агрегат АСЦЛ 20/24 — 2 ед., фильтр сетчатый ФС-80/1,6 — 2 ед., плотномер — 2 шт., фильтр сепаратор — 2 ед.; водоотделитель — 2 ед. и трубопроводную арматуру.

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.

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.

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.

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.

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.

Краткий обзор производителей

Датчики уровня жидкости в резервуаре "ОВЕН" позволяют производить необходимые измерения на высоком уровне. Рекламу их продукции можно встретить на многих зарубежных сайтах.

Заслуживает внимания продукция отечественного разработчика и производителя L-CARD, внесенного в Госреестр средств измерений. Alta Group, находящаяся на рынке России более 10 лет, имеет заслуженные положительные отзывы.

Заключение

Датчики уровня жидкости в резервуаре следует выбирать, исходя из условий их использования, свойств жидкостей, требуемых показателей точности измерения. Наиболее верные показания можно получить при использовании датчиков радарного типа, магнитострикционных измерителей.

Надо помнить, что абсолютная точность требует более высоких материальных затрат. Поплавковые датчики и сигнализаторы — наиболее простые устройства, но их применение ограничено условиями вибрации из-за вспенивания жидкости, ее вязкостью, агрессивностью среды.

Оптимальным решением, исходя из соотношения цена/качество, является использование гидростатических и емкостных датчиков при условии выполнения ограничений, налагаемых на свойства измеряемой жидкости.