Главная / ТСА / Датчики /

Датчики уровня в автоматизации

При разработке АСУ очень часто приходится измерять или отслеживать уровни различных веществ. Для этих целей применяются датчики уровней. Они бывают разных видов, с разными принципами действия и предназначены для разных применений.

• Способы измерения уровня
• Свойства датчиков уровня
• Принципы действия датчиков уровня
• Датчики уровня сыпучих продуктов
• Датчики уровня жидкости
• Датчики уровня газа
• Что почитать про измерение уровня

Способы измерения уровня

Самый простой способ - визуальный. Человек может просто посмотреть в бак или другую ёмкость, и увидеть уровень продукта. Для упрощения этой операции часто используют простые уровнемеры - либо делают окошки в ёмкости, либо (в случае с жидкостями) подсоединяют к ёмккости прозрачную трубку с отметками уровня.

Зачем же тогда нужны датчики? Основных причины несколько:

• Не всегда удобно определять уровень “на глаз”
• Не всегда безопасно определять уровень “на глаз”
• Не всегда достаточно точности при определении “на глаз”
• Часто требуется не только измерение, но и автоматическое управление каким-то оборудованием в зависимости от уровня и/или архивация значений уровня в ходе работы оборудования

Поэтому придумали датчики уровней. Какими они бывают, расскажу далее. А сейчас только две основных мысли:

• Есть датчики, которые ИЗМЕРЯЮТ уровень (непрерывное измерение). То есть выдают на выходе сигнал, соответствующий текущему уровню. Это датчики с аналоговым или цифровым выходом. Сигнал такого датчика можно преобразовать в физическую величину, например, в метры. Такие датчики измеряют уровень в какой-либо ёмкости, то есть показывают нам, сколько продукта в ёмкости, например, в метрах или сантиметрах.
• Есть датчики, которые ОТСЛЕЖИВАЮТ уровень (дискретное измерение). Это дискретные датчики, которые могут нам сообщить только о двух состояниях: есть продукт на уровне датчика или нет продукта. Такие датчики чаще всего отслеживают верхний и нижний уровни в какой-либо ёмкости, когда нам не требуется знать, сколько продукта в ёмкости, а достаточно лишь определить, есть он там или нет.

В случае измерения уровня датчик может измерять либо уровень жидкости (L), либо расстояние от датчика до жидкости (h) в зависимости от принципов действия датчика. Во втором случае уровень необходимо вычислять как

L = H - h

Делается это либо программно в АСУ, либо в настройках самого датчика, если он это позволяет. При этом значение Н должно быть задано где-то в настройках датчика или управляющей программы.

Свойства датчиков уровня

Датчики уровней, как и любые устройства, обладают каким-то набором характеристик. Эти характеристики надо учитывать при выборе датчиков под определённые задачи. Ну и, соответственно, принимать решение о пригодности датчика под ваши требования, ответив на следующие вопросы:

1. Что измеряем (отслеживаем):
• Измеряемая среда (продукт): жидкость, сыпучие продукты, вязкие жидкости и т.п.
• Диапазон температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Электропроводность измеряемой среды
• Плотность измеряемой среды
• Вязкость измеряемой среды
• Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды
• Возможно ли налипание продукта на чувствительный элемент
• Содержит ли продукт металлические включения
• Есть ли пена на поверхности
• Агрессивность измеряемой среды (например, кислотные испарения, повышенная влажность, абразивность сыпучего продукта и т.п.)
• Возможность скопления продукта у стенок или конус по центру бункера (для сыпучих продуктов)
2. Где измеряем (отслеживаем):
• Окружающая среда: температура, влажность, наличие агрессивных сред, взрыво- пожароопасность
• Используется ли датчик в пищевой, фармацевтической или другой промышленности с повышенными требованиями к материалам чувствительных элементов
• Есть ли для данной отрасли какие-то особые требования стандартов к датчикам
3. В каком технологическом процессе используем:
• Продукт: жидкость или сыпучее вещество
• Измерение: непрерывное (измерение) или дискретное (отслеживание)
• Способ измерения: контактный (чувствительный элемент взаимодействует с продуктом) или бесконтактный (чувствительный элемент не взаимодействует с продуктом напрямую)
• Конструкция резервуара (ёмкости): есть ли оборудование в ёмкости (насос, мешалка и т.п.); размеры; материал корпуса; верх - открытый, с крышкой, герметичный; форма дна; расположение входных и выходных труб (для жидкости) или самотёков/затворов (для сыпучих продуктов); место установки датчика и способ его крепления.
4. Диапазоны:
• Диапазон измерения уровня (для непрерывного измерения) или отметки уровней для измерения - места установки (для дискретных датчиков)
• Погрешности измерения (для непрерывного измерения) или зона чувствительности для бесконтактных дискретных датчиков
5. Куда передаём сигнал:
• АСУ, сигнальные лампы, реле, индикаторы или другие приборы
• Вывод: разъём или кабель
• Вид выходного сигнала: “сухой контакт”, токовый, напряжения, цифровой
6. Питание:
• Напряжение (+24В, ~220В или другое)
• Потребляемая мощность
• Наличие индикатора питания
• Наличие индикатора срабатывания (для дискретных датчиков)
7. Прочие свойства:
• Цена и сроки поставки - это тоже важно
• Взаимозаменяемость с другими датчиками на объекте
• Масса и габариты
• Качество исполнения и репутация производителя

Как видите, есть над чем задуматься. Но для правильного выбора всё это действительно надо учитывать. Например, такая “мелочь”, как неправильный выбор вида выходного кабеля (маслостойкий, морозостойкий и т.п.) может доставить вам очень много неприятностей в ходе эксплуатации.

Принципы действия датчиков уровня

Как вы уже знаете (если внимательно читали то, что написано выше), датчики уровня бывают контактные и бесконтактные.

Контактный датчик “контактирует” непосредственно с измеряемой средой. То есть чувствительный элемент такого датчика погружается в вещество, уровень которого измеряет.

Бесконтактный датчик не имеет прямого контакта с продуктом. Но в некоторых случаях он может контактировать с какими-то частицами продукта, например, с испарениями. Это тоже надо принимать во внимание при выборе датчика.

Контактные датчики уровня могут быть такими:

• Поплавковый
• Буйковый
• Ёмкостный
• Гидростатический
• Мембранный
• Кондуктометрический
• Ротационный
• Вибрационный
• Электромеханический
• Магнитострикционный

Бесконтактные датчики уровня могут быть такими:

• Радарный (микроволновый)
• Ультразвуковой
• Радиационный
• Ёмкостный
• Оптический

Принципы действия, как вы понимаете, отличаются в зависимости от вида датчика. Например, в мембранном датчике чувствительным элементом является мембрана, которая прогибается под давлением продукта и воздействует, например, на электрический контакт.

Более подробно все эти виды датчиков будут описаны в следующих статьях. Так что подписывайтесь на новости, чтобы ничего не пропустить (кнопка вверху справа).

Датчики уровня сыпучих продуктов

Такие датчики используются для измерения уровней сыпучих продуктов. Сыпучие продукты имеют некоторые особенности. Они не заполняют ёмкость равномерно, а скапливаются в том месте, в котором происходит загрузка ёмкости, образуя горку в виде конуса:

Это надо учитывать при выборе места установки датчика. Если речь идёт о дискретном датчике верхнего уровня, то его нельзя ставить на самом верху ёмкости, потому что образовавшийся конус может забить самотёк или продукт начнёт пересыпаться через края бункера, и при этом датчик верхнего уровня так и не увидит, что бункер заполнен.

Ну а вообще измерение уровня сыпучих продуктов - это тема для отдельной статьи. Здесь довольно много особенностей, о которых можно долго рассказывать. Я такую статью обязательно напишу, но позже. Подписывайтесь на новости, чтобы ничего не пропустить (кнопка вверху справа).

Датчики уровня жидкости

Здесь тоже есть свои особенности, описание которых достойно отдельной статьи. Одна из самых простых задач - это отслеживание уровня воды. С такой задачей отлично справляются простые и недорогие поплавковые датчики.

А вот если придётся измерять или отслеживать уровень других жидкостей, особенно агрессивных, то могут возникнуть труднопреодолимые сложности.

Совет можно дать только один - стремитесь к простоте. Чем проще будет датчик, тем лучше. В моей практике был случай, когда мы перепробовали несколько разных датчиков, в том числе и дорогих, но так и не добились надёжной работы. В итоге изготовили самодельный, который выглядел не очень красиво, но зато о проблемах с датчикам мы забыли.

А сложность была в измеряемой среде - растительное масло с высокой температурой. Из-за налипания поплавковые датчики долго не работали - их приходилось всё время чистить. А из-за высокой температуры ёмкостные датчики также быстро умирали, а кабели буйковых датчиков высыхали и переламывались.

*** Больше сведений о датчиках уровня жидкости ***

Датчики уровня газа

Не спешите кидать в меня тухлыми помидорами. Я специально сделал такой заголовок, потому что многие ставят вопрос именно так. Хотя понятно, что нельзя говорить”уровень газа” в таком же смысле, как “уровень жидкости”.

Да, газ может быть, например, тяжелее воздуха, и опуститься до какого-то уровня в резервуаре. Но в большинстве случаев газ заполняет ёмкость равномерно. Поэтому измерить уровень газа невозможно, во всяком случае, в ёмкости. Особенно с учётом того, что большинство газов легче воздуха и их нельзя хранить в открытых резервуарах.

Что почитать про измерение уровня

К сожалению, литературы именно по датчикам уровня не нашёл. Поэтому могу предложить только книги о датчиках вообще.

Ну а на сегодня всё. Подписывайтесь на новости, чтобы не пропустить новые статьи (кнопка вверху справа).