Главная / ТСА / Датчики / Уровень /

Датчики контроля уровней жидкости

Когда я работал по найму, то мне приходилось очень часто использовать датчики уровня жидкости. В моей практике жидкостей было два вида - вода и масло. Но почти в любом производстве хоть какая-нибудь жидкость да есть. И часто её уровень необходимо контролировать. Поэтому на рынке представлено очень большое разнообразие датчиков уровня жидкости. О них и поговорим в этой статье.

Типы датчиков уровня жидкости

Вот все возможные виды датчиков уровней жидкости. Может, конечно, есть и другие. Но это то, что мне удалось вспомнить и найти в разных источниках.

• Поплавковые
• Подвесные
• Ёмкостные
• Кондуктометрические
• Ультразвуковые
• Радарные (микроволновые)
• Гидростатические
• Вибрационные
• Оптические
• Байпасные
• Магнитострикционные
• Скважинные

Датчики уровня жидкости поплавковые герконовые

Эти датчики являются наиболее распространёнными, потому что они:

• Недорогие
• Простые
• Надёжные

Там, где это возможно, я советую применять именно поплавковые датчики.

Строго говоря, они не обязательно могут быть герконовыми. Например, в качестве контакта может быть не геркон, а микропереключатель. Но в подавляющем большинстве случаев используется именно геркон (кстати, кто не знал, геркон - это герметичный контакт).

На рисунке показана наиболее распространённая конструкция поплавкового датчика. На круглый штырь надет поплавок, который имеет форму кольца. Внутри поплавка магнит. На одном или на нескольких уровнях внутри штыря размещены герконы. Когда под воздействием жидкости поплавок перемещается по штырю, то, сравнявшись с герконом, магнит поплавка воздействует на геркон, что приводит к замыканию или размыканию его контактов (в зависимости от конструкции геркона).

Чтобы поплавок не слетел со штыря, на штыре есть ограничители. Эти же ограничители не дают поплавку проскочить мимо геркона. Поэтому контакты геркона остаются в состоянии “сработки”, даже если жидкость поднимется выше верхнего геркона или наоборот, понизится ниже нижнего геркона.

При заказе датчика указывается количество уровней и размеры датчика: расстояние от верхней части бака до верхнего контролируемого уровня, и расстояние от от верхней части бака до нижнего контролируемого уровня.

Обычно такие датчики отслеживают один или два уровня. Как правило - это либо верхний, либо нижний, либо верхний и нижний. Реже встречаются трёхуровневые датчики такого типа. Большее количество уровней у таких датчиков я не видел. Да и практической необходимости отслеживать уровень более чем в трёх точках обычно нет. Но если это всё-таки очень нужно, то можно использовать несколько одно- или двухуровневых датчиков с разными размерами.

Подвесные сигнализаторы уровня

Это тоже поплавковые датчики, но они работают по другому принципу: датчик подвешивается на кабеле в ёмкость с жидкостью, и когда жидкость подходит к поплавку, то он переворачивается и замыкает или размыкает контакт (в зависимости от конструкции датчика):

Такие датчики немного дороже, но их приходится применять там, где не могут работать поплавковые датчики рассмотренного выше типа. Например, при отслеживании уровней в ёмкостях со сточными водами (канализацией), с маслами, которые могут налипать на поплавок и т.п.

В моей практике часто приходилось измерять уровень растительного масла. Эта задача, как оказалось, очень даже непростая. Поплавковые датчики на штыре работали, но примерно через 1,5…2 месяца использования на них оседало столько липкой субстанции от растительного масла, что поплавок просто начинал застревать на штыре и переставал двигаться. То есть такие датчики постоянно приходилось чистить.

Подвесные же сигнализаторы работали безупречно, потому что они свободно плавали в ёмкости и на их работу налипание не влияло. Правда, там были иные сложности, но это уже другая история…

Ёмкостные датчики уровня жидкости

Здесь речь пойдёт также о дискретных датчиках. То есть о датчиках, которые отслеживают уровень, а не измеряют его. Ёмкостные датчики хороши тем, что в некоторых случаях вам не нужно делать отверстия в баке - вы просто устанавливаете датчики на внешней стенке резервуара, и всё. Но это возможно (и то не всегда) для неметаллических ёмкостей.

В металлических можно попробовать, но, скорее всего, это не прокатит. Тогда придётся прорезать окошки в баке и устанавливать в них площадки, например, из оргстекла. Либо, если датчик допускает возможность соприкосновения с жидкостью, непосредственно врезать его в бак (такие датчики обычно имеют круглую форму с резьбой).

Когда жидкость контактирует с датчиком, то чувствительный элемент датчика фиксирует изменение ёмкости (ёмкость жидкости отличается от ёмкости воздуха). Датчик “срабатывает”.

Такие датчики достаточно надёжны. Основное их преимущество в том, что у них нет механических контактов и других частей, которые могут изнашиваться или как-то влиять на надёжность. Также преимуществом является бесконтактный способ работы - при первом варианте использования датчик не контактирует непосредственно с жидкостью. Иногда это имеет значение.

Но есть и недостаток - ёмкость зависит от многих параметров - от состава жидкости, от характеристик окружающей среды и т.п. Поэтому в некоторых случаях добиться устойчивой работы без ложных сработок (или несработок) очень сложно или даже невозможно.

Также существуют ёмкостные измерители уровня. То есть ёмкостные датчики уровня с аналоговым выходом. Они относительно недорого стоят, но их постоянно приходится калибровать, поскольку ёмкость зависит от множества факторов, которые в некоторых системах постоянно меняются.

Кондуктометрические датчики уровня жидкости

Это достаточно простой и надёжный способ отслеживания уровня жидкости. Но у него есть один недостаток - жидкость должна быть электропроводной. Поэтому, например, измерять уровень масла такими датчиками нельзя. Также нельзя измерять ими уровень горючих жидкостей, даже если они проводят ток - вероятность искры мала, но она существует, поскольку на электроды подаётся напряжение.

Чаще всего такие датчики используются для измерения нескольких уровней воды - обычно от 2 до 4.

Принцип работы такого датчика уровня основан на электропроводности жидкости. На электроды подаётся напряжение. И когда электрод датчика уровня жидкости соприкасается с ней, то ток начинает течь через жидкость в поисках другого электрода. И если он такой электрод находит, то есть если оба электрода погружены в жидкость, то прибор, к которому подключен датчик, понимает, что на этом уровне жидкость есть, и выдаёт соответствующий сигнал.

Если ёмкость металлическая, то в качестве общего электрода можно использовать саму ёмкость. Но здесь надо помнить, что ёмкости с водой (а таким способом отслеживают обычно уровни воды), как правило, имеют налёт ржавчины, что может снизить электропроводность и привести к сбоям в работе датчика. Кроме того, так будет сложнее добиться устойчивой работы из-за того, что расстояние между стенкой ёмкости и электродом может оказаться больше, чем нужно для срабатывания датчика.

Ультразвуковые датчики уровня жидкости

Всё, о чём говорилось выше - это дискретные датчики. На выходе таких датчиков сигнал либо есть, либо нет. И измерять уровень такими датчиками нельзя, можно только отслеживать его в нескольких точках. Однако нередко требуется именно измерять уровень. Например, в топливном баке. Согласитесь, что водитель был бы сильно расстроен, если бы вместо шкалы и стрелки у него была информация только о том, полон бак или пуст.

Для измерения уровня часто используются ультразвуковые датчики. Принцип работы такого датчика заключается в следующем:

1. Датчик посылает звуковые волны (точнее, ультразвуковые).
2. Эти волны отражаются от поверхности жидкости и возвращаются в датчик.
3. Так можно вычислить время, которое требуется на прохождение волн от датчика к поверхности жидкости и обратно.
4. Зная скорость распространения ультразвука и время, которое потребовалось на прохождение волны от датчика к поверхности и обратно, микроконтроллер датчика определяет расстояние от датчика до поверхности жидкости.

Уровень легко вычислить:

L = H - h

Часто это можно сделать непосредственно в датчике, поскольку все такие приборы - это микропроцессорные устройства с цифровым выходным сигналом (хотя есть и с аналоговым).

Ультразвуковые датчики достаточно надёжны, но их применение ограничивается некоторыми недостатками:

• Высокая цена. Для измерения уровней 1…2 метра цена ещё приемлемая. Но дальше цена уже становится высокой. Особенно при измерении уровней 10 метров и выше. Такие датчики могут стоить 1000 долларов и более.
• Мёртвая зона. Она есть практически у всех таких датчиков. И может составлять до 10% от максимального измеряемого уровня.

Ультразвуковые датчики уровня бывают и с дискретным выходом. Они, как правило, используются в качестве сигнализаторов предельного уровня.

Радарные датчики уровня жидкости

В общем-то всё, что сказано про ультразвуковые датчики, справедливо и для радарных датчиков. Отличие лишь в виде волн. В первом случае это ультразвук, а у радарных датчиков это микроволны (электромагнитные волны, передаваемые с помощью радиосигнала).

Ещё одна особенность - разная скорость распространения ультразвука и радиоволн. Но в случае измерения уровня жидкости это неважно, поскольку резервуары наполняются жидкостью достаточно медленно. Поэтому эта разница в скорости распространения волн значения не имеет.

Есть ещё рефлексные датчики, которые также используют микроволны, только направляются они не через радиосигнал, а в виде микроимпульсов по направляющей зонда. Такой датчик, в отличие от радарного, не является бесконтактным - зонд должен контактировать с жидкостью на всём измеряемом уровне.

Гидростатические датчики уровня жидкости

Принцип действия гидростатических датчиков основан на изменении давления. Как известно, чем больше глубина, тем больше давление. Следовательно, измеряя давление и зная зависимость давления от глубины, можно определить глубину, и, соответственно, уровень.

Здесь, конечно, есть много подводных камней, потому что давление зависит от многих факторов. Но влияние этих факторов производители стараются учесть и компенсировать техническими решениями.

Выходной сигнал такого датчика, как правило, аналоговый. Но бывают и гидростатические датчики (сигнализаторы) с дискретным выходом.

Вибрационные датчики уровня жидкости

Вибрационные датчики уровня довольно дорогие. Но в некоторых случаях только их и можно использовать. Это дискретные датчики. То есть более правильно называть их сигнализаторами уровня.

Чувствительный элемент вибрационного датчика обязательно должен контактировать с жидкостью.

Принцип работы вибрационного датчика с двумя пьезоэлектрическими элементами следующий:

1. Первый пьезоэлектрический элемент генерирует вибрации.
2. Второй пьезоэлектрический элемент улавливает эти вибрации и формирует электрический импульс.
3. Когда чувствительный элемент датчика погружается в жидкость, то частота вибраций изменяется, вибрация затухает и на выходе формируется сигнал “сработки”.

Оптические датчики уровня жидкости

Оптические сигнализаторы уровня тоже довольно дорогие. Это датчики с дискретным выходом. Принцип их действия основан на свойствах жидкости пропускать или преломлять свет. Это может быть как видимый диапазон излучения, так и невидимый (например, инфракрасный).

Конструкция датчиков может быть разной. Но в любом случае он имеет излучатель и приёмник световых волн.

Когда жидкость появляется между излучателем и приёмником, то приёмник перестаёт “видеть” свет от излучателя, и датчик срабатывает (то есть выдаёт на выход сигнал).

Байпасные датчики уровня жидкости

Это аналоговые датчики. Довольно громоздкая и не дешёвая конструкция. Используются только в достаточно специфических случаях.

Байпас - это обходная камера. Проще говоря - это трубка, которая подсоединяется к резервуару в двух точках - вверху и внизу, и работает как сообщающийся сосуд. Внутри этой трубки поплавок. В поплавке может быть, например, магнит, который воздействует на шкалу с магниточувствительными элементами, прикреплённую к байпасу.

Шкала может быть как просто визуальной, так и с какими-то электрическими или электронными элементами, которые реагируют на магнитное поле. В простейшем случае это может быть набор герконов.

Таким образом на выходе получаем (после преобразований) аналоговый сигнал, который можно использовать для измерения уровня.

Магнитострикционные датчики уровня жидкости

По конструкции это поплавковый датчик. Здесь также поплавок перемещается по штырю. А по принципу действия он похож на байпасный - внутри штыря (трубки) находятся магниточувствительные элементы, которые реагируют на магнит, находящийся внутри поплавка.

Это датчик с аналоговым выходом. Хотя могут быть и цифровые.

Скважинные датчики уровня жидкости

Очень дорогие датчики, предназначенные для измерения уровня в глубоких скважинах. Как правило, принцип действия таких датчиков - гидростатический. То есть он определяет уровень по изменению давления жидкости.

Отличие от обычных гидростатических датчиков только в том, что скважинный предназначен для работы на больших глубинах - десятки и сотни метров.

Уфф… Не ожидал, что такая объёмная статья получится. Поэтому заканчиваю. Подписывайтесь на новости, чтобы ничего не пропустить (кнопка вверху справа).

См. также:

• Датчик уровня для растительного масла
• Ультразвуковой датчик уровня EchoTREK SGA-344-2