Емкостной датчик уровня воды в резервуаре: приборы для измерения объема жидкости в баке

Приборы для измерения уровня

Промышленные уровнемеры предназначены для непрерывного измерения уровня жидкостей и твердых веществ в сосудах, резервуарах, контейнерах, силосах и других емкостях.

Визуальные уровнемеры или смотровые стекла используются для контроля плотности и массы измеряемого продукта в емкости. Такие уровнемеры, как правило, не имеют съемных чувствительных элементов, однако существуют требования к чистоте измеряемой среды. Если требуется автоматический контроль, можно установить реле уровня, которое работает по принципу емкости переменного тока. Они имеют шкалу на внешней стороне камеры и поплавок с магнитом на поверхности среды, который является чувствительным элементом. Для очень грязных, агрессивных или хрупких сред и глубоких резервуаров можно использовать бесконтактные датчики уровня с радарными и гидролокационными сигналами, поступающими от антенны к поверхности среды.

Датчики контроля уровня

Детекторы и реле часто используются для обнаружения любого заполнения или опорожнения емкости, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение системы «насос — клапан». Когда жидкость или сыпучий материал достигает определенной точки в резервуаре, реле замыкает набор электрических контактов. Популярными областями применения индикаторных реле являются защита от сухого хода и защита от перегрузки резервуара.

Промышленные взрывозащищенные или искробезопасные приводы и высококачественные релейные комплекты позволяют подключать достаточно мощные насосы и регулирующие клапаны с высокими пусковыми токами (до 15 А).

Конструкция и принцип действия

Конструкция измерительного устройства данного типа определяется следующими параметрами

• Функция, в соответствии с которой устройство обычно классифицируется как сигнализатор и уровнемер. Первый контролирует фиксированную (минимальную или максимальную) точку заполнения резервуара, в то время как второй постоянно контролирует уровень заполнения резервуара.
• Они могут быть основаны на гидростатике, проводимости, магнетизме, оптике, акустике и т.д. Фактически, это основные параметры, определяющие диапазон применения.
• Метод измерения (контактный или бесконтактный).

Кроме того, характеристики конструкции определяют характер технологической среды. Одно дело — измерить уровень питьевой воды в резервуаре, другое — проверить заполнение резервуара для промышленных сточных вод. В последнем случае требуется соответствующая защита.

Виды датчиков уровня

В зависимости от принципа действия измерители уровня жидкости можно разделить на следующие типы.

• плавающий тип.
• плавающего типа; — с использованием ультразвуковых волн.
• Устройства с емкостным принципом определения уровня.
• Электроды.
• Тип радара.
• Гидростатическое давление.

Поскольку это наиболее распространенные типы, давайте рассмотрим их отдельно.

Поплавковый

Это самый простой, но все же наиболее эффективный и надежный метод измерения жидкостей в резервуарах или других емкостях. Пример его реализации показан на рисунке 2.

Рис. 2. Поплавковый выключатель для управления насосом

Его конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, размещенных в контрольной точке. Дается краткое описание принципа работы.

• Резервуар опустошается до критического минимума (A на рис. 2), поплавок опускается до уровня, на котором находится геркон 2, и включает реле, которое питает насос для забора воды из скважины.
• Когда уровень воды достигает максимальной отметки, поплавок поднимается до положения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно двигатель насоса перестает работать.

Такой герконовый переключатель довольно прост в изготовлении, и его настройка сводится к установке уровня включения/выключения.

Обратите внимание, что если вы правильно подберете материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже если в резервуаре есть слой пены.

Ультразвуковой

Этот тип счетчика может использоваться как для жидких, так и для сухих сред и может иметь аналоговый или дискретный выход. Это означает, что датчик может быть ограничен, когда наполнение достигает определенной точки, или контролироваться постоянно. Устройство состоит из ультразвукового передатчика, приемника и контроллера сигнального процессора. Принцип работы передатчика сигнала показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

Система работает следующим образом.

• Излучается ультразвуковой импульс.
• Принимается отраженный сигнал.
• Анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полон, он будет коротким (A на рис. 3), а по мере опустошения бака он начнет увеличиваться (B на рис. 3).

Ультразвуковой датчик является бесконтактным и беспроводным, поэтому его можно использовать даже в коррозионных и взрывоопасных средах. После первоначальной настройки датчик не требует специализированного обслуживания и не имеет движущихся частей, что значительно увеличивает срок его службы.

Электродный

Электродные (проводящие) датчики позволяют контролировать уровень одной или нескольких проводящих сред (т.е. они не подходят для измерения уровня заполнения резервуаров с дистиллированной водой). Пример использования этого устройства показан на рисунке 4.

Рисунок 4: Измерение уровня жидкости с помощью датчиков проводимости

В приведенном выше примере используются три реле уровня, два из электродов контролируют уровень в резервуаре, а третий является сигналом тревоги для активации действия перекачки.

Емкостной

С помощью этих датчиков можно определить максимальный уровень в емкости и использовать в качестве рабочей среды как жидкости, так и сыпучие материалы, смешанные с твердыми частицами (см. рис. 5).

Рис. 5. Емкостной переключатель уровня

Переключатель уровня работает так же, как конденсатор: он измеряет емкость между измерительными пластинами емкостного элемента. При достижении порогового значения на контроллер подается сигнал. В некоторых случаях используется вариант «сухого контакта», т.е. датчик уровня работает через стенку резервуара и изолирован от рабочей среды.

Эти устройства могут работать в широком диапазоне температур, не подвержены воздействию электромагнитных полей и могут быть активированы на больших расстояниях. Эти характеристики значительно расширяют диапазон применения вплоть до жестких условий эксплуатации.

Радарный

Этот тип сигнализации можно назвать универсальным, поскольку он может работать в любой технологической среде, включая агрессивные и взрывоопасные среды, а давление и температура не влияют на показания. Пример работы этого устройства показан на схеме ниже.

Измерение уровня с помощью радарного датчика

Прибор излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), а приемник улавливает отраженный сигнал и определяет уровень в сосуде. Датчик не зависит от давления, температуры или характера рабочей среды. Пыль, однако, не влияет на показания, как в случае с лазерными датчиками. Точность этого типа излучателей обычно составляет менее одного миллиметра.

Гидростатический

Эти сигнализаторы измеряют предел резервуара и текущий уровень заполнения. Они работают, как показано на рисунке 7.

Рис. 7: Измерение уровня заполнения с помощью гироскопа

Устройство основано на принципе измерения давления, создаваемого столбом жидкости. Приемлемая точность и низкая стоимость делают этот тип довольно популярным.

В рамках данной статьи мы не смогли рассмотреть все типы сигнальных устройств, например, тип вращающегося флажка для обнаружения сыпучих материалов (сигнал подается, когда лопасть вентилятора застревает в сыпучем материале через предварительно выкопанную яму). Также бессмысленно рассматривать, как работают радиоизотопные счетчики, не говоря уже о том, чтобы рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.

Как выбрать?

Выбор датчика уровня воды в баке зависит от многих факторов, основными из которых являются

• Состав жидкости. В зависимости от содержания примесей в воде, плотность и проводимость раствора могут меняться, что, вероятно, повлияет на показания.
• Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
• Функциональное назначение коллектора.
• Нужно ли отслеживать минимальные и максимальные уровни, или необходимо отслеживать текущие условия.
• Может ли он быть интегрирован в автоматическую систему управления.
• Коммутационная способность устройства.

Это далеко не полный список возможностей данного типа инструментов. Конечно, для бытового применения критерии выбора можно значительно сократить, ограничив их объемом бака, типом привода и схемой управления. Резкое снижение требований позволяет изготовить такое устройство самостоятельно.

И для воды, и для топлива

В прошлом датчики уровня жидкости строго различались на датчики уровня воды и масла. Ключевым отличием был поплавок, который по-разному реагировал на воду и нефтепродукты. Впоследствии производители усовершенствовали технологию и унифицировали устройства. Сегодня такие же погружные датчики устанавливаются в морские топливные и водные баки. Единственное различие заключается в символе на манометре — значок воды или значок бензобака.

Благодаря использованию нержавеющей стали и бензостойких материалов можно предотвратить коррозию и другие повреждения, но это не действует на загрязненные жидкости. Примеси и механические загрязнения могут сделать его бесполезным. Специальный датчик предназначен для сточных вод.

Различия типов, конструкций и стандартов

К чему стремиться, начиная с нуля? Обычно датчик приобретается в первую очередь. Он выбирается в зависимости от глубины резервуара (или других резервуаров, содержимое которых необходимо измерить). Размеры фланца обычно стандартные: производитель датчика ориентируется на размеры резервуара.

Датчики можно разделить на несколько групп в зависимости от принципа их работы. Два из них являются наиболее распространенными.

Герконовый поплавковый датчик используется во многих измерительных системах благодаря своей простоте и надежности. Он состоит из направляющей трубки, в которой поплавок, находящийся в контакте с герконом, следует за жидкостью в вертикальном направлении. Трубку нельзя укоротить: рабочий диапазон датчика «встроен» в его длину.

Второй распространенный вариант — поплавковый выключатель с потенциометром. Принцип действия основан на изменении сопротивления. Этот тип можно легко отрегулировать под разную высоту резервуара. Это спасение для владельцев лодок, которые, изготовив бак на заказ, не могут подобрать глубиномер к стандартному баку. Глубина резервуара составляет, скажем, 283 мм. Однако ширина колеи составляет 275 или 300 мм! Из-за большой площади резервуара каждый сантиметр глубины означает значительное количество жидкости. Поэтому в этом случае необходим регулируемый манометр.

USA и EURO

И датчики, и уровнемеры выпускаются в двух стандартах сопротивления: европейском (10-190 Ом) и американском (240-33 Ом).

Стандартная пара диапазонов должна быть установлена правильно: 10 для пустого бака и 190 для полного бака (240 и 33 соответственно). Если измеритель и датчик не совпадают по рабочим сигналам, индикатор не будет работать правильно и покажет все наоборот.

Поэтому различные стандарты не могут быть объединены механически: европейский диапазон не «совпадает» с американским. Но выход есть. Любой датчик-указатель поможет синхронизировать преобразователь сигналов.

Системы, основанные на других принципах, менее распространены. Например, на основе текущих вариаций. Практичный вариант для стационарных сосудов известного объема. Точные показания и цифровая индикация позволяют определить точный расход жидкости, например, при заправке автомобиля.

Ультразвуковые датчики используются гораздо реже, а протокол NMEA-2000 становится все более популярным. Их удобство основано на возможности подключения датчика уровня к «умной» системе. Данные могут передаваться на любое расстояние, и компьютер не только информирует о текущем расходе топлива, но и предупреждает, какое расстояние можно преодолеть на оставшемся топливе.

Чёрным по белому, стрелками или цифрами…

Указатель обычно выбирается в соответствии со вкусом и стилем дизайна интерьера. Производитель предлагает широкий выбор вариантов: белые, черные, золотые, с рамкой или без, цифровые и аналоговые. Вы можете выбрать индикатор как для консерваторов (дерево, ткань, кожа), так и для ценителей высоких технологий; это одновременно дешево и «круто».

Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками

Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса, используемого в дачном водоснабжении. Обычно вода содержится в накопительном баке, поэтому нам нужно сделать так, чтобы насос автоматически выключался, когда он заполняется водой. Для этого нет необходимости приобретать лазерные или радарные сигнализаторы уровня, а также любые другие. Несложная задача требует простого решения, как показано на рисунке 8.

Принципиальная схема управления насосом

Для решения этой проблемы нужен магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и двумя герконами — нижний уровень — выключен, верхний уровень — включен. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был объяснен выше, но мы повторим его еще раз.

• По мере всасывания воды магнитный поплавок постепенно поднимается, пока не достигнет верхнего уровня герконового выключателя.
• Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку стартера и тем самым обесточивая двигатель.
• По мере поступления воды поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и напряжение подается на катушку пускателя, приводя насос в действие. В отличие от электронных систем управления, такой датчик уровня в резервуаре может работать десятилетиями.

Принцип действия емкостного уровнемера

Емкостные датчики уровня состоят из двух основных компонентов. Один из них — емкостной датчик в виде цилиндрического или плоского стержня или кабеля и вторичный датчик. Основным элементом является чувствительный конденсатор, который точно регистрирует все изменения диэлектрической проницаемости среды. Емкость конденсатора, то есть соответствующее значение уровня жидкости в емкости, определяется при контакте с жидкостью, а полученное значение затем преобразуется в выходной сигнал, который передается на внешнее устройство для управления.

Весь принцип работы этих датчиков уровня основан на том, что жидкость и газовое пространство над ней имеют разные электрические характеристики. Чувствительный элемент, погруженный в жидкость, определяет объем, а второй колпачок, который остается «снаружи», также проводит измерения и на основании этой информации делает выводы о высоте столба жидкости.

Что касается электродной системы, то она может отличаться от модели к модели. В большинстве случаев они представляют собой плоские металлические пластины или полые цилиндры.

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Датчики уровня в резервуарах обеспечивают непрерывное измерение уровня жидкостей. Эти приборы подходят для использования в различных промышленных приложениях, включая.

• Пищевая промышленность: производство спиртных напитков, соусов и напитков.
• Химическая промышленность: лаки, краски, строительные жидкости, бытовая химия.
• Системы водоснабжения и канализации.
• Предприятия по добыче и упаковке воды, включая минеральную воду.
• Коммунальные услуги и сельское хозяйство.
• Нефтеперерабатывающие заводы; транспорт с топливными цистернами.
• Фармацевтические компании.

Какие бывают емкостные датчики?

1. в зависимости от типа строительства этот вид оборудования подразделяется на следующие категории.

Одиночный конденсатор. Этот тип устройств имеет довольно простую конструкцию. По сути, одноконденсаторный датчик представляет собой конденсатор с переменной емкостью. Важным недостатком данного типа устройств является то, что они восприимчивы к внешним факторам, к которым относятся повышенная влажность, перепады температуры и т.д.

Двойная емкость. Этот тип датчиков далее подразделяется на дифференциальный и полудифференциальный типы. Первый тип устойчив к неблагоприятным внешним факторам, имеет высокую точность и хорошую стабильность. Полудифференциальные преобразователи могут использоваться в тех случаях, когда использование дифференциальных моделей затруднено или невозможно.

2. По принципу действия они подразделяются на следующие типы.

Емкостные линейные датчики. Широкий спектр неэлектрических волн, которые необходимо регулярно измерять. Большая часть из них — это линейные движения. Для их контроля были разработаны специальные емкостные энкодеры. Их можно использовать для измерения очень больших и очень малых перемещений.

Угловые датчики относятся к емкостному типу. Алгоритм работы таких устройств аналогичен алгоритму работы вышеупомянутых типов. Они могут точно измерять угловые перемещения в различных диапазонах. Наиболее часто используются многосегментные устройства с переменной площадью емкостной пластины. В этом типе емкостного датчика один из емкостных электродов закреплен на оси объекта. При вращении он также движется. При этом изменяется площадь перекрытия пластин конденсатора, а вместе с ней изменяется и емкость.

Тилтметры. Эти устройства, также известные как датчики качения, представляют собой дифференциальные датчики наклона, содержащие элемент в форме капсулы. Эта часть состоит из подложки с плоскими электродами, на которую сверху нанесен специальный изолирующий слой. Внутри корпуса устройства находится проводящая жидкость, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод вместе с плоским электродом образуют дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален значению емкости дифференциального конденсатора. Последний находится в вертикальной плоскости в зависимости от положения корпуса. Конструктивные особенности инклинометра определяют линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в рабочей плоскости. Параметры в нерабочей плоскости остаются постоянными. На сам сигнал могут незначительно влиять колебания температуры. Если необходимо определить положение плоскости в пространстве, используются одновременно два датчика, которые должны находиться на расстоянии 90° друг от друга. Сегодня компактные датчики могут выдавать электрический выходной сигнал, пропорциональный углу наклона. К многочисленным преимуществам этой технологии относятся высокая точность измерения, малый вес, отсутствие движущихся частей, простота фиксации и выгодная цена. Благодаря этим преимуществам инклинометры подходят не только для статичных, но и для движущихся объектов.

Емкостные датчики уровня. Этот тип устройств используется в системах управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности (химической, пищевой, фармацевтической и т.д.). Они позволяют измерять уровни различных жидкостей, сыпучих материалов и различных вязких сред. Одним из главных преимуществ этих устройств является способность работать в сложных условиях, например, при наличии конденсата или высокого уровня пыли.

Датчики давления. Эти устройства могут быть с одним или двумя статорами. Первый тип датчика содержит металлический элемент. Он разделен на секции плоской мембраной, на которой расположен статический электрод. Вместе с мембраной он образует переменную емкость. Пока параметры давления по обе стороны мембраны равны, считается, что преобразователь находится в равновесии. При изменении давления в камере мембрана деформируется, что приводит к изменению емкости. В датчике с двойным статором мембрана перемещается, а к полости прикладывается опорное давление. Это приводит к точному измерению перепада давления. Степень неточности остается незначительной.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Манометры для резервуаров могут использоваться для измерений в резервуарах, емкостях, трубах или заполненных жидкостью хранилищах. Они могут определять текущий уровень или отслеживать непрерывные изменения уровня. Существуют также модели, способные проводить измерения в глубоких резервуарах и колодцах или подходящие для бесконтактного мониторинга. Вместе с другими датчиками эти приборы могут передавать информацию на внешние устройства или обеспечивать поддержание стабильного уровня жидкости.

Преимущества  емкостных уровнемеров для жидких веществ

Основными преимуществами датчиков уровня жидкости в резервуаре по сравнению с другими типами датчиков уровня являются

• Они могут измерять несколько типов жидкостей не только по составу, но и по физическим свойствам (температура, плотность, степень электропроводности).
• Быстрая реакция и высокая чувствительность к изменениям.
• Подходит для коррозионных, опасных жидкостей.
• Может работать даже под вакуумом, т.е. широкий диапазон давления жидкости в емкости не является препятствием.
• Они не имеют движущихся частей, что обеспечивает надежность, безопасность и длительный срок службы.

Однако для каждого нового вида продукции необходимо вносить поправки на чувствительность. Кроме того, эти приборы не подходят для вязких, кристаллических или взрывоопасных жидкостей, поскольку они очень чувствительны к образованию налета на зонде.

Недостатки емкостных датчиков

• Достаточно низкая эффективность преобразования
• Хорошая производительность на довольно высоких частотах.
• Повышенные требования к экранированию элементов.

Обратившись в компанию «ПечьКомплект Автоматика», вы можете заказать различные модификации емкостных датчиков. Вся продукция, представленная к продаже, сертифицирована и полностью соответствует установленным стандартам качества, надежности и безопасности. Именно поэтому они широко используются по всей России.

Оборудование, которое мы продаем, подлежит обязательному тестированию. Только после этого он выставляется на продажу. Благодаря такому подходу наша компания заслужила доверие клиентов.

Наша компания устанавливает лучшие цены на весь свой ассортимент. Работая напрямую с производителями оборудования, а не через посредников, мы можем снизить собственные затраты и исключить необоснованные торговые наценки. Кроме того, наши клиенты получают дополнительные бонусы в виде скидок. На них могут положиться как оптовые клиенты, так и те, кто работает с нами на постоянной основе.

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость излучателя, в зависимости от уровня, рассчитывается по формуле

Cp = Ci + C1C2/(C1 + C2), где.

• C1 — емкость конденсатора с колпачком на поверхности электрода и проводящей жидкостью.
• C2 — емкость конденсатора с покрытием на поверхности жидкости (размещенного в том же положении, что и C1) и на поверхности контейнера (банки или сосуда).
• C — емкость втулки.

Всегда предполагается, что с увеличением высоты жидкости C1 и C2 растут, так как площадь лайнера увеличивается.

Схема подключения ёмкостного уровнемера

Емкостные датчики уровня для топливных или стационарных резервуаров могут быть подключены к цифровой или аналоговой схеме с помощью изолированной шины CAN и контроллера. Для обеспечения непрерывного контроля уровня также используется двухпроводная схема. Кроме того, отдельные модели могут быть оснащены трубными насадками или кабельными зондами.

Поскольку емкостные датчики уровня измеряют емкость конденсатора, а диэлектрик является средой, их можно устанавливать только в емкостях с металлическими стенками, а стенка, на которой закреплен зонд, должна быть абсолютно параллельна зонду.

После подключения пробные запуски и калибровку следует проводить при пустой и полностью заполненной емкости.