Датчики уровня

Министерство сельского  хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

 

 

Учреждение образования

«Белорусский государственный  аграрный технический университет»

 

 

Кафедра ОНИП

 

РЕФЕРАТ

 на тему

«ДАТЧИКИ  УРОВНЯ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

Общие положения

 

Датчики уровня являются современными элементами автоматики и предназначены для применения в системах управления, контролирующих наполнение и поддержание уровней в резервуарах с различными жидкостями, сыпучими веществами, газом.

 

Датчики уровня можно разделить  по назначению на:

 

• датчики уровня жидкости (датчики уровня воды)
• для сыпучих веществ.

Датчики уровня воды предназначены для контроля уровня жидкостей в различных резервуарах. В зависимости от типа приложения, где используется датчик уровня жидкости, применяются контактный или бесконтактный метод измерений. При контактном измерении (датчики поплавкового типа) датчик уровня воды располагается непосредственно на стенке резервуара и переключает контакты при достижении водой уровня его размещения.

Датчики уровня для сыпучих  материалов предназначены для контроля предельного уровня пыли в бункере (емкости). Датчик уровня для сыпучих материалов устанавливается непосредственно на стенку бункера. Как только уровень пыли достигает пластины, установленной на валу, вращение вала прекращается и выдаётся сигнал о достижении заданного уровня.

По принципу измерения  уровня датчики уровня делятся на: поплавковые (мини, одноуровневые, многоуровневые, гибкие), лопастные, вибрационные, емкостные, сквозные, давления, потока, оптические, датчики скорости вращения, ультразвуковые и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Емкостной датчик уровня.

 

В основу работы данного  типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении  состава и распределения материала  диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах, например в емкостных датчиках влажности.

Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 1), которая может свободно проникать в пространство между  пластинами. Если известна диэлектрическая  проницаемость жидкости, то можно  составить следующее равенство:

 

С=С₀+С_l=ε₀*G₀+ε_l*G_l       (1)

 

С – общая ёмкость конденсатора

С₀ – емкость участка конденсатора, не содержащего жидкость

С_l – емкость участка конденсатора, содержащего жидкость

ε₀ – диэлектрическая проницаемость газовой среды

ε_l – диэлектрическая проницаемость жидкой среды

G₀ – геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость

G_l – геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость.

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор  включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение  ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам  следует отнести значительную температурную  зависимость (которая, впрочем, может  быть скомпенсирована), а также необходимость  погружения в жидкость.

По способу исполнения все емкостные измерительные  преобразователи можно разделить  на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

 

 

Рисунок 1 - Общая схема емкостного датчика уровня

 

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если при этом образцовый конденсатор  разместить в одном корпусе с  рабочим, выполнить их по возможности  идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра  двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению  с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

• простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность;
• отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);
• долгий срок эксплуатации;
• потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
• простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

К недостаткам емкостных  датчиков следует отнести:

• сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);
• высокие требования к экранировке деталей;
• необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Сегодня на разработке емкостных  и поплавковых датчиков уровня

специализируется компания «ТЕКО».

Рисунок 2 – Датчик уровня типа CSN EC50S8

 

В частности CSN EC50S8 сегодня  активно применяется в процессе производства молока.

Один из способов применения данного датчика - контроль максимального  и минимального уровня молока в танках, автоматическое отключение насоса при  достижении крайней отметки и  фиксирование минимального уровня молока в емкости, то есть опустошения танка.

Ранее для решения данной технической задачи использовались дорогостоящие кондуктометрические  датчики иностранного производства. Простые, более выгодные с точки  зрения цены и надежные емкостные  датчики отечественного производства послужили достойной заменой.

Очень важной в данном случае оказалась опция датчика CSN EC50S8, позволяющая  настроить чувствительность. В результате срабатывание происходило только при  контакте с молоком, а не с пеной  и другими веществами.

Преимущества емкостного датчика CSN EC50S8:

• выгодная цена;
• надежность, за счет простого, но действенного технического решения;

долговечность, благодаря  отсутствию механического износа;

• универсальность, датчик может быть применен практически везде, где нужно фиксировать уровень;
• возможность настройки срабатывания практически на любое вещество;
• адаптация к агрессивным условиям;
• возможность применения при высоких температурах (от -15 до 105oС);
• наличие защиты от перепадов напряжения;

 

 

 

Рисунок 3 - Схемы монтажа  емкостного датчика

 

 

Рисунок 4 - Схема подключения  емкостного датчика CSN EC50S8-31P-25-LZS4-H

 

 

 

 

Рисунок 5 - Габаритный чертеж емкостного датчика

 

 

 

Поплавковый датчик уровня.

 

Датчики данного типа имеют  достаточно простое устройство. Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и  непрерывный сигнал, последние можно  разделить на две категории –  механические и магнитострикционные. В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также  используется поплавок, в остальном  же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых  датчиков.

Дискретные поплавковые  датчики уровня.

В реализации датчика, выдающего  дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных  на различных уровнях резервуара. При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх. Это приводит в  движение механическую систему или  электромеханическую систему, и  выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических  контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед  за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение  поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки  или нет. Также датчик уровня с  дискретным выходным сигналом может  служить элементом автономного  регулятора в случае, например, когда  необходимо поддерживать постоянный уровень  жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может  непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые  датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную  механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся  к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 7). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит. Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода. Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом. По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.

 

Рисунок 7 - Общая схема магнитострикционного датчика уровня

 

Магнитострикционные датчики  очень точны, выдают непрерывный  сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет  сферу их применения. К их недостаткам  можно отнести их стоимость, техническую  сложность и необходимость погружения в жидкость.

Рисунок 8 – Общий вид поплавкового датчика уровня ОВЕН ПДУ

 

Поплавковые датчики уровня ОВЕН ПДУ могут использоваться для  контроля уровня самых разных продуктов, например сточных вод, химически  агрессивных жидкостей или пищевых  продуктов. Поплавковые датчики  уровня устойчивы к пене и пузырькам  в жидкости и могут работать с  вязкими жидкостями.

Датчики уровня ОВЕН ПДУ  применяются для измерения как  текущего, так и предельного (максимального  или минимального) уровня жидкости.

Пример области применения поплавковых датчиков – контроль уровня жидкости в транспортных средствах. Прежде всего, это задачи по контролю объема топлива в тяжелой технике: грузовиках, экскаваторах, тепловозах. Здесь датчики уровня работают в  условиях сильной вибрации и волнения на поверхности жидкости. Для устранения влияния этих факторов поплавковый  датчик помещают в специальную демпферную трубу, диаметром чуть больше, чем  диаметр поплавка.