Датчик рівня

Давач рівня (рос. уровнемер, англ. level meter, нім. Niveaumesser m )- прилад, призначений для визначення рівня вмісту у відкритих і закритих резервуарах, сховищах і так далі. Під вмістом розуміють різноманітні види рідин, у тому числі і газотвірні, а також сипкі і інші матеріали. Давачем рівня також називають рівнемір ,сигналізатором рівня, перетворювачем рівня.

Історія створення

Уатт Джеймс

Перший найпростіший рівнемір був створений для визначення рівня води в озерах , річках та інших водоймах і отримав назву футшток (від німецького Futstock - рейка, шест) . Його створення було викликано розвитком флоту і навігації та необхідністю вивчення зміни рівня в конкретному місці водойми , визначення середнього рівня моря і встановлення початкового рівня для обчислення висот і глибин. Футшток - рівнемір у вигляді рейки ( бруса) з розподілами , встановлений на водомірному посту для спостереження і точного визначення рівня води в морі, річці або озері . Перший футшток з'явився в Петербурзі в 1703 році .

Найпростіші візуальні вказівники рівня були винайдені з появою парових котлів. Уатт Джейс ( 19.01.1736 - 19.08.1819 ) - шотландський винахідник - в 1784 р. створив універсальний паровий двигун, що має особливості сучасних парових машин , з безперервним обертанням та високою ефективністю , що набув широкого поширення саме у виробничих цілях і зіграв велику роль в промисловій революції 19 століття. Він і сконструював перше водомірне скло - візуальний вказівник рівня рідини.

У XX столітті, з розвитком науки, темпи зростання промисловості швидко прискорювалися, з'являлися все нові галузі виробництва. Автоматизація виробничих процесів вимагала створення автоматичних приладів для вимірювання рівня рідини.Технологія автоматичного заміру рівня рідкого продукту, за допомогою системи спостереження, була розроблена вже в середині 50-их років. Незабаром після цього був розроблений перший автоматичний рівнемір для резервуарів.

Загальний опис

Вимірювання рівня рідини відіграє важливу роль при автоматизації технологічних процесів у багатьох галузях промисловості. Ці виміри особливо важливі в таких випадках, коли підтримання заданого рівня рідин, пов'язано з умовами безпечної роботи обладнання. На сьогодні існує велике число методів вимірювання рівня рідин та сипучих речовин. Вимірювання рівня відбувається як у відкритих резервуарах, так і в ємностях, що знаходяться під тиском.

Класифікація рівнемірів

Для вимірювання рівня рідини застосовують :

• поплавкові;
• буйкові;
• гідростатичні;
• ультразвукові;
• радарні безконтактні;
• радарні контактні;
• акустичні прилади.

Для виміру рівня рідини і твердих сипучих матеріалів

• радарні безконтактні;
• радарні контактні;
• ультразвукові;
• ємнісні;
• радіоізотопні.

Поплавкові рівнеміри

3.1 Схема давача реле рівня

3.2 Поплавець

3.3 Поплавковий стгналізатор рівня

Поплавкові рівнеміри є одними з найбільш простих і надійних. Проте вони практично не можуть застосовуватися за високих тисків. Вони дозволяють контролювати рівень рідин у широкому діапазоні від 50 до 2000 мм. До таких сигналізаторів граничних контрольованих рівнів відносяться поплавкові прилади типів РРС (реле рівня сильфонне), СУ (сигналізатор рівня), ДРР (дистанційне реле рівня).

На рисунку 3.1 показано загальний вид приладу ДРУ-1. Поплавець 3 (порожниста металева куля), сполучений початком 2 із мікровимикачем 1, знаходиться в контрольованій рідині. При досягненні максимального рівня на кулю 3 діє гранична уштовхуюча сила, що змушує шток 2 підніматися і переключати мікровимикач, який сигналізує про аварійний рівень.

Індикуючий пристрій сполучено з поплавцем тросом або за допомогою важелів. Поплавковими рівнемірами можна вимірювати рівень рідини у відкритих ємностях.

Основними несправностями у таких приладах є порушення герметичності кулі, корозія контактів перемикача внаслідок підвищеної вологості контрольованого середовища.

За необхідності поверхня кулі в місцях ушкодження підлягає паянню припоєм ПОС-40 або ПОС-60 за допомогою газового пальника або паяльника. Мікроперемикач залежно від ступеня корозії підлягає ремонту або заміні на новий тип МП.

Важливою характерною особливістю поплавкових рівнемірів, є висока роздільна здатність приладу 0,1 мм і точність вимірювань - 1 мм.Область застосування поплавкового методу вимірювання рівня дуже широка. Його не можна застосовувати тільки в середовищах, що утворюють налипання, а також - відкладення осаду на поплавку.

Буйкові рівнеміри

4.1Буйковий рівнемір УБ-Е

4.2Буйковий рівнемір УБ-П

У буйкових рівнемірах застосовується нерухомий занурений у рідину буй 3. Принцип дії буйкових рівнемірів базується на тому, що на занурений буй діє з боку рідини виштовхуюча сила F. За законом Архімеда ця сила дорівнює вазі рідини, витиснутої буйком. Але кількість витиснутої рідини залежить від глибини занурення буя, тобто від рівня в ємності H. Таким чином, у буйкових рівномірах рівень H, який вимірюється, перетворюється на пропорційну йому виштовхуючу силу. Тому залежність виштовхуючої сили від рівня, який вимірюється, лінійна.

У буйкових рівнемірах УБ-П і УБ-Е буй передає зусилля на важіль 1 проміжного перетворювача сили в уніфікований сигнал 2. Вихідний сигнал першого рівнеміра – уніфікований пневматичний, іншого – уніфікований електричний сигнал (постійний струм).

Принцип дії буйкових рівнемірів дозволяє в широких межах змінювати їх діапазон виміру. Це досягається як заміною буя, так і зміною передатного підиймаючого механізму проміжного перетворювача. Рівнеміри УБ можуть вимірювати рівень у межах від 0-40 мм до 0-16 м.

Застосування буйкових, а так само і поплавкових рівнемірів ускладнено в агресивних рідинах і середовищах з осадами, що випадають. Для дистанційного виміру рівня рідини застосовуються буйкові рівнеміри з уніфікованим електричним або пневматичним сигналом типів УБ-Е й УБ-П. Вимірювальні схеми рівнемірів побудовані за принципом компенсації зусиль.

Головною особливістю буйкових рівнемірів є можливість вимірювання рівня кордону розділу двох рідин.Недоліком буйкових рівнемірів є залежність їх точності від щільності і температури вимірюваного середовища, обмеженість використання для великих (понад 16 м) діапазонів вимірювання рівнів рідин

Гідростатичні рівнеміри

5.1 Гідростатичний рівнемір

5.2 Схема рівнеміра у відкритій ємності

5.3 Схема рівнеміра у закритій ємності

Гідростатичний метод виміру рівня базується на тому, що в рідині існує гідростатичний тиск, пропорційний глибині, тобто відстані від поверхні рідини. Тому для вимірювання рівня гідростатичним методом можуть бути використані прилади для вимірювання тиску або перепаду тисків. В ролі таких приладів, зазвичай, застосовують дифманометри.

При вмиканні дифманометра 1 за схемою, показаною на рисунку 5.2, перепад тисків на ньому буде дорівнювати гідростатичному тиску рідини, що пропорційно рівню H, який вимірюється.

Якщо рідина в ємності знаходиться під надлишковим тиском, то дифманометр 1 включають за схемою, приведеною на рисунку 5.3, причому його плюсову камеру з'єднують із простором над рідиною через порівнювальну посудину 2. Цю посудину заповнюють рідиною, стовп якої створює постійний гідростатичний тиск у плюсовій камері дифманометра.

Оскільки вимірюється перепад тисків, рівний різниці гідростатичних тисків рідини в камерах дифманометра, вимірюваний рівень буде пропорційний різниці між рівнем у розділювальній судині Hmax і рівнем, який вимірюється Н.

До переваг даних рівнемірів можна віднести простоту конструкції і дешеву ціну. Однак у гідрастатичних вимірюваннях рівня рідини є істотні недоліки - відносно низька (у порівнянні з іншими методами) точність вимірювання та обмеженість застосування через те, що монтаж пристрою на дні резервуара вимагає постійної щільності середовища.

Ультразвукові та акустичні рівнеміри

6.1 Схема ультразвукового і акустичного рівнеміра

6.2 Принцип роботи ультразвукового рівнеміра

Принцип дії рівнемірів цього типу базується на вимірі часу проходження імпульсу ультразвука від випромінювача до поверхні рідини та назад. При прийомі відбитого імпульсу випромінювач стає датчиком. Якщо випромінювач 1 (рис. 6.1) розташований над рідиною, рівнемір називається акустичним; якщо усередині рідини – ультразвуковим. У першому випадку час, який вимірюється, буде тим більше, чим нижче рівень рідини H, у другому – навпаки.

Електронний блок 2 призначений для формування ультразвукових імпульсів, посилення відбитих імпульсів, вимірювання часу проходження імпульсом подвійного шляху (у повітрі або рідині) і перетворення цього часу в уніфікований електричний сигнал. Наприклад, акустичний рівнемір ЭХО-1 використовується для виміру рівня неоднорідних рідин (із перемінною за висотою щільністю), які кристалізуються і випадають в осад, у баках висотою до 3 м і має вихідний сигнал у виді постійного струму.

До безперечних переваг використання акустичних показників рівня рідини відносяться : безконтактна можливість використання в забрудненому середовищі , а також у різного виду рідинах , відсутність високих вимог до зносостійкості і міцності обладнання , незалежність від щільності рідини. Але є й недоліки , на які варто звернути увагу : велика розбіжність конуса випромінювання , можливість виникнення помилок вимірювання при відбитті від нестаціонарних перешкод (наприклад , мішалок ) , може використовуватися тільки в резервуарах з нормальним атмосферним тиском ( що відмежовує область застосування) .

Радарні рівнеміри

Радарні рівнеміри працюють наступним чином. Генератор випромінює імпульси (імпульсні радари) або частотно-модульований сигнал. Розповсюджуючись крізь повітря (або середовище) електромагнітні хвилі долають відстань зі швидкістю світла (у випадку вакууму), або зі швидкістю, що обернено пропорційна до квадратному кореню з діелектричної проникності середовища, через яке розповсюджуються хвилі.

Безконтакні радарні рівнеміри реалізують два основних способи впливу радіовипромінювання – частотно-модульований і імпульсний. Рівнемір із частотною модуляцією випромінює радіохвилі до поверхні рідини/твердої речовини, причому частота радіохвиль постійно змінюється (модуляція). Після того, як радіовипромінювання відіб’ється від поверхні рідини, воно попадає знову до рівнеміра. При цьому різниця частот між сигналом що випромінювався генератором і прийнятим радіосигналом прямо пропорційна відстані до поверхні рідини.

Радарні рівнеміри мають перевагу вимірювання в’язких середовищ, оскільки за рахунок безконтактного вимірювання частини приладу по суті не піддаються корозії.

На характеристики рівнеміра впливає робоча частота. Якщо частота низька, то відносно зменшується сприятливість до пару та забрудненню антени, а якщо навпаки висока частота (>30 ГГц), то випромінення значно більше концентрується (концентрація радіовипромінювання, що зменшує вплив стінок, патрубків і внутрішніх конструкцій резервуара).

Імпульсні радарні рівнеміри використовують практично таку саму технологію, але випромінюється саме імпульс і інформативним параметром у цьому випадку є часова затримка між випроміненим та прийнятим сигналами.

Більше розповсюдження наразі мають саме радарні рівнеміри із частотною модуляцією.

Недоліками безконтактних радарних рівнемірів є їх чутливість до конструкцій чи зміни геометрії у середині резервуару (наприклад наявність труб чи конструкцій, що викликають перешкоди для випромінення, або можуть відбивати імпульси/хвилі не постійно, а в залежності від умов. Такі зміни викликають помилки у роботі рівнемірів, хоча останнім часом програмне забезпечення дозволяє практично знизити ці недоліки.

Контактні радарні рівнеміри Контактні радарні рівнеміри (GWR - Guided Wave Radar, TDR - Time Domain Reflectometry) - працюють подібно до радарних за виключенням того, що використовується хвильовід, що контактує із рідиною або твердою речовиною, що вимірюється. Це дозволяє розповсюджувати енергію більш ефективно (хвильовід), а за рахунок цього з'являється низка переваг: по-перше такі рівнеміри можуть використовуватися для контролю слабовідбиваючих рідин (наприклад, скраплені вуглеводневі гази), по-друге - є менш чутливими до наявності коливань рідини, по-третє - з'являється можливість контролю декількох рівнів. Наприклад, одночасний контроль рівнів поділу середовищ - повітря/нафта, нафта-вода і т.п. Проте, недоліком таких рівнемірів є те, що будь-яка в'язка рідина може накопичуватись на хвильоводі, що потребує додаткового догляду (незначні незручності). Є випадки, коли такі рівнеміри поєднуються із іншими вимірювальними засобами задля розширення інформативності та в якості хвильоводу використовують частину конструкції іншого пристрою або резервуару (наприклад термопідвіска для вимірювання температури рідини, або стінка резервуару).

Ємнісні рівнеміри

7.1 Схема ємнісного рівнеміра‎

7.2 Принцип роботи ємнісного рівнемір‎а

Ємнісні рівнеміри використовують для вимірювання рівня зміни ємності перетворювача, викликаного зміною рівня рідини. Рівнеміри такого типу можуть застосовуватися для виміру як неелектропровідних, так і електропровідних рідин. Вони придатні для виміру рівня в широкому діапазоні тисків і температур агресивних і неагресивних середовищ. Їх показання залежать від діелектричної проникності середовища, яка може змінюватися з температурою. Застосування компенсаційних ємностей дозволяє істотно зменшити цей вплив, але не виключає його цілком. Електронна схема ємнісних рівнемірів достатньо складна, що обмежує їх широке поширення.

Найпростіший первинний перетворювач ємнісного приладу являє собою електрод 1 (металевий стрижень або провід), розташований у вертикальній металевій трубці 2 (рисунок 7.1) . Стрижень разом із трубою утворюють конденсатор. Ємність такого конденсатора залежить від рівня рідини, тому що при його зміні від нуля до максимуму діелектрична проникність буде змінюватися від діелектричної проникності повітря до діелектричної проникності рідини.

Переваги ємнісних рівнемірів : простоти , зручності монтажу та обслуговування , надійності і потенційно високої точності ( відомі ємнісні рівнеміри , основна похибка яких не перевершує 0,1-0,2 %) ємнісні рівнеміри знаходять широке застосування в промисловості. До недоліків ємнісних рівнемірів відносяться: висока чутливість до зміни електричних властивостей рідин , обумовлених зміною їх складу , температури і т. п. , поява на елементах датчика електропровідної плівки внаслідок хімічної активності рідини , конденсації її пари , налипання самої рідини на контактні в ному елементи .

Застосування рівнемірів

Рівнеміри успішно застосовуються в різних галузях промисловості і використовуються для вимірювання рівня дуже різноманітних рідких і сипучих матеріалів. В даний час вони досить затребувані на ринку, тому з ростом науки і техніки з'являться нові типи рівнемірів, більш точних і зручних у використанні. Рівнеміри застосовуються в багатьох галузях промисловості : хімічній та нафтохімічній, нафтогазової, целюлозно-паперової; фармацевтичної; харчової промисловості і виробництві напоїв; контролі питної води і стічних вод; енергетиці,гідро- і електростанціях.

Виробники продукції в Україні

• АМІКО Діджитал, ТОВ ( Миколаїв, Україна ) AMICO Digital
• KSK-Avtomatizacziya( Київ ) KSK-Avtomatizacziya
• SV Altera, ( Київ ) SV Altera
• Pnevmotek Korporejshn ( Київ) Pnevmotek Korporejshn
• Kontech Sistem ( Харків ) Kontech Sistem
• Germiona, ChP ( Львів ) Germiona

Українська література та інтернет-ресурси

• Гідроприводи та гідропневмоавтоматика . Під ред.В.О.Федорець - Київ: Вища школа, 1995. - 463 с.
• Автоматика для запобігання вибухам і пожежам. Під ред.Міщеряков Ю.В – Харків: АЦЗУ, 2006. – 279 с.
• Пневматические и гидравлические приводы и системы . Під ред. А.С. Наземцев - Москва: Форум,2007. - 295с.
• Російські гідроприлади