Датчики уровня жидкости в резервуаре позволяют как производить текущее измерение количества заправленной жидкости, так и сообщать о достижении предельных ее значений. Такие приборы состоят из чувствительного сенсора, реагирующего на определенные физические параметры, и схемы измерения, контроля и индикации. В зависимости от области применения используются устройства, различающиеся принципом своего действия.
Информация, изложенная в статье, поможет узнать о принципах работы датчиков разных типов и областях их применения. Будет осуществлен краткий обзор их достоинств и недостатков, указаны основные зарекомендовавшие себя на рынке производители.
Классификация приборов
Датчики уровня жидкости в резервуаре могут быть уровнемерами или сигнализаторами. Первые из них предназначены для постоянного измерения уровня жидкости в текущий момент времени. Они используют сенсоры, работающие на разных физических принципах. Дальнейшую обработку поступающих от них сигналов производят аналоговые или цифровые электронные схемы, входящие в состав уровнемеров. Полученные показатели отображаются на элементах индикации.
Сигнализаторы предупреждают о достижении определенного, заранее установленного элементами настройки значения уровня жидкости в емкости. Другое их название — датчики уровня воды в резервуаре для отключения ее дальнейшей подачи. Их выходной сигнал является дискретным. Предупреждение может выдаваться в виде световой или звуковой сигнализации. При этом происходит автоматическая блокировка работы систем заправки или слива жидкости.
Поплавковые уровнемеры воды
| Модификация | Фото | Коммут-ная функция | Коммут-ое напр-е | Коммут-ый ток | Выходной элемент | Материал | Температура среды | ||
| DC | AC | DC | AC | ||||||
| ПДУ-Т101 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т102 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т104 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь + Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т106 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т121-065-115 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т301 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т302 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т321-060-110 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т501 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т502 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т505 | 220 V | 240 V | 0,7 А | 0,5 А | Геркон | Нерж. сталь | -20…+125 °C | ||
| ПДУ-Т601-2 | 220 V | 220 V | 10 А | 10 А | Реле | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
| ПДУ-Т601-5 | 220 V | 220 V | 10 А | 10 А | Реле | Полипропилен | -10…+80 °C | ||
Методы измерения уровня
В зависимости от свойств жидкости, уровень которой в резервуаре требуется определить, используются следующие методы измерения:
- контактный, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие датчика уровня жидкости в резервуаре или его части с измеряемой средой;
- бесконтактный, позволяющий избежать прямого взаимодействия датчика с жидкостью (ввиду ее агрессивных свойств или высокой вязкости).
Контактные устройства располагаются в емкости непосредственно на поверхности измеряемой жидкости (поплавки), в ее глубине (гидростатические манометры), либо на стенке резервуара на определенной высоте (пластинчатые конденсаторы). Для бесконтактных измерителей (радарных, ультразвуковых) необходимо обеспечить зону прямой видимости поверхности измеряемой жидкости и отсутствие прямого соприкосновения с ней.
Критерии выбора
Существуют определенные особенности, которые необходимо учитывать при классификации датчика. Они указаны ниже:
- Точность.
- Условия окружающей среды — обычно датчики имеют ограничения по температуре, влажности.
- Диапазон — предел измерения датчика.
- Калибровка — необходима для большинства измерительных приборов, так как показания меняются со временем.
- Стоимость.
- Повторяемость — изменяемые показания многократно измеряются в одной и той же среде.
Принципы действия
Как уровнемеры, так и сигнализаторы для выполнения своих функций используют разные принципы действия. Наибольшее распространение получили устройства следующих типов:
- поплавковые датчики уровня жидкости в резервуаре;
- емкостные;
- гидростатические датчики уровня жидкости;
- устройства радарного типа;
- ультразвуковые датчики.
Поплавковые, в свою очередь, могут быть механическими, дискретными и магнитострикционными. Первые три группы датчиков включают в себя устройства, использующие контактный метод измерения, две другие относятся к бесконтактным устройствам.
Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа
Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.
Механические поплавковые датчики
Легкий поплавок, постоянно находящийся на поверхности жидкости в резервуаре, системой механических рычагов связан со средним выводом потенциометра, который является плечом моста сопротивлений. При минимальном количестве жидкости в емкости мост считается сбалансированным. Напряжение в его измерительной диагонали отсутствует.
По мере заполнения резервуара поплавок отслеживает положение уровня жидкости, перемещая через систему рычагов подвижный контакт потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Появившееся напряжение в его измерительной диагонали используется электронной схемой системы индикации. Ее аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в текущий момент времени.
Работа с различными устройствами
Принцип действия и классификация датчиков температуры разделяются и на использование технологии в других типах оборудования. Это могут быть приборные панели в автомобиле и специальные производственные установки в промышленном цеху.
- Термопара — модули изготовлены из двух проводов (каждый — из разных однородных сплавов или металлов), которые образуют измерительный переход путем соединения на одном конце. Этот измерительный узел открыт для изучаемых элементов. Другой конец провода заканчивается измерительным устройством, где формируется опорный переход. Ток протекает по цепи, так как температура двух соединений различна. Полученное милливольтное напряжение измеряется для определения температуры на стыке.
- Термодатчики сопротивления (RTD) — это типы терморезисторов, которые изготавливаются для измерения электрического сопротивления при изменении температуры. Они дороже, чем любые другие устройства для определения температуры.
- Термисторы. Они представляют собой другой тип термического резистора, в котором большое изменение сопротивления пропорционально небольшому изменению температуры.
Дискретные поплавковые датчики
Дискретный сигнал в виде замыкания или размыкания контактов герконового реле используется схемой электронной индикации и сигнализации для оповещения о достижении уровня жидкости в емкости определенного значения. Металлические контакты, выполненные из материала с низким переходным сопротивлением при их замыкании, помещены в полую изолированную стеклянную колбу.
Датчик уровня воды в резервуаре с дискретным выходом имеет в своем составе направляющую в виде полой трубки, в которую не попадает жидкость из резервуара. Внутри направляющей закреплены контакты одного или нескольких герконовых реле. Место их расположения зависит от того, в каком случае необходимо получить сигнализацию о достижении уровнем жидкости заданного значения.
Поплавок датчика со встроенным в него небольшим постоянным магнитом движется вдоль направляющей при изменении уровня жидкости в емкости. Срабатывание контактной группы происходит в момент ее попадания в магнитное поле постоянного магнита поплавка. Сигнал по проводам, подключенным к контактам датчика уровня воды в емкости геркона, поступает на схему сигнализации.
Список деталей
- Транзистор можно применить любой из этих: КТ815А или Б. TIP29A. TIP61A. BD139. BD167. BD815.
- ГК1 – геркон нижнего уровня.
- ГК2 – геркон верхнего уровня.
- ГК3 – геркон аварийного уровня.
- D1 – любой красный светодиод.
- R1 – резистор 3Ком 0.25 ватт.
- R2 – резистор 300 Ом 0.125 ватт.
- К1 – любое реле на 12 вольт с двумя парами нормально разомкнутыми контактами.
- К2 – любое реле на 12 вольт с одной парой нормально разомкнутых контактов.
- В качестве источников сигнала для пополнения воды в ёмкость, я применил поплавковые герконовые контакты. На схеме обозначаются ГК1, ГК2 и ГК3. Китайского производства, но очень приличного качества. Ни одного плохого слова сказать не могу. В ёмкости, где они стоят, у меня происходит обработка воды озоном и за годы работы на них ни малейшего повреждения. Озон является крайне агрессивным химическим элементом и многие пластики он растворяет совершенно без остатка.
Теперь рассмотрим работу схемы в автоматическом режиме. При подаче питания на схему, срабатывает поплавок нижнего уровня ГК1 и через его контакт и резисторы R1и R2 подаётся питание на базу транзистора. Транзистор открывается и тем самым подаёт питание на катушку реле К1. Реле включается и своим контактом К1.1 блокирует ГК1 (нижний уровень), а контактом К1.2 подаёт питание на катушку реле К2, которое является исполнительным и включает своим контактом К2.1 исполнительный механизм. Исполнительным механизмом может быть насос для воды или электрический клапан, которые подают воду в ёмкость. Вода пополняется и когда превысит нижний уровень, выключится ГК1, тем самым подготавливая следующий цикл работы. Достигнув верхнего уровня, вода поднимет поплавок и включит ГК2 (верхний уровень) тем самым замыкая цепочку через R1, К1.1, ГК2. Питание на базу транзистора прервётся, и он закроется, выключив реле К1, которое своими контактами разомкнёт К1.1 и выключит реле К2. Реле, в свою очередь выключит исполнительный механизм. Схема подготовлена к новому циклу работы. ГК3 является поплавком аварийного уровня и служит страховкой, если вдруг не сработает поплавок верхнего уровня. Диод D1 является индикатором работы устройства в режиме наполнения воды. А теперь приступим к изготовлению этого очень полезного устройства.
Размещаем детали на плату.
Все детали размещаем на макетной плате, чтобы не делать печатную. При размещении деталей, нужно учитывать, чтобы паять как можно меньше перемычек. Нужно максимально использовать проводники самих элементов для монтажа.
Окончательный вид.
Схема управления уровнем воды запаяна.
Схема готова к испытаниям.
Подключаем к аккумулятору и имитируем срабатывание поплавков.
Всё работает нормально. Смотрите видео об испытаниях в работе этой системы.
Источник: SdelaySam-SvoimiRukami.ru
Магнитострикционные поплавковые датчики
Датчики этого типа выдают постоянный сигнал, зависящий от уровня жидкости в резервуаре. Основным элементом, как и в предыдущем случае, является поплавок с постоянным магнитом внутри, занимающий свое положение на поверхности жидкости и перемещающийся в вертикальной плоскости вдоль направляющей.
Внутреннюю полость направляющей, изолированную от жидкости, занимает волновод. Он выполнен из магнитострикционного материала. В нижней части элемента расположен источник импульсов тока, которые распространяются вдоль него.
При достижении излученного импульса места нахождения поплавка с магнитом происходит взаимодействие двух магнитных полей. Результатом такого взаимодействия является возникновение механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу.
Рядом с импульсным генератором закреплен пьезоэлемент, который фиксирует механические колебания. Внешняя электронная схема анализирует временную задержку между излученным и полученным импульсами и вычисляет расстояние до поплавка, который постоянно находится на поверхности жидкости. Схема индикации постоянно сообщает об уровне жидкости в резервуаре.
Бесконтактный датчик воды Y25 T12V , или Перестаем дырявить бочки
Я опубликовал немало обзоров по поводу дачной автоматики, во многих из них фигурировали манипуляции с водой. Часто требуется узнать уровень жидкости, либо факт её отсутствия. Такую информацию удобно использовать в своих поделках, направленных на избавление от рутинных процедур. Чтобы узнать уровень многие, и я, в том числе, используют поплавковые датчики на герконах, основной проблемой при их применении является необходимость дырявить ёмкость, согласитесь, это не добавляет надежности и универсальности применения ёмкости, да и сверление с последующей герметизацией — не самые приятные манипуляции. Обозреваемое устройство (появилось в продаже недавно) призвано избавить от этого, обеспечив масштабируемость и перестраиваемость системы… Посмотрим что за зверь под катом. Датчики доехали за 14 дней, упакованы были достаточно хорошо. Сами датчики в пакетиках:
Распаковываем:
Длина шнурка порядка 45 см: Размеры:
Разъем имеет 4 контакта:
Слева направо: — коричневый — питание — желтый — сигнал — синий — земля — черный настройка На датчике имеется индикатор, который при обнаружении воды, должен загораться, судя по описанию продавца. Питаться датчик умеет в диапазоне от 5 до 24 Вольта, что очень удобно. Корпус влагозащищенный (ip67), что позволяет размещать датчик на улице, либо во влажном помещении, не заботясь о его защите. чтобы сходу не ломать разъем, подключим модельные проводки:
У меня на даче имеется встроенный в стену самодельный регулируемый блок питания, подключим питание, 12 Вольт:
Подносим к бутылке с водой, индикатор загорается:
Если поднять выше уровня воды — индикатор гаснет:
Кстати если прислонить руку, индикатор также загорается:
Подключим мультиметр к проводкам питания, и убедимся в работоспособности
Далее: минус на землю, а плюс на вывод сигнала:
Подносим к бутылке и видим на выходе напряжение питания:
Если отвести датчик, напряжение на сигнальном выходе пропадает:
Выходной ток датчика в диапазоне 1-50 мА. Продавец, заявляет работоспособность при питании в диапазоне 5-24 Вольта, попробуем снизить напряжение питания до 4-х Вольт: Датчик отлично работает, попробуем снизить до 3-х Вольт:
Уверенная работа датчиков, позволяет сделать вывод об удачном его использовании с esp8266 без всяких преобразований — а это отличная новость! При других напряжениях, датчик также хорошо работает:
Выходить за пределы 24-х Вольт я не решился. Выставим 5 Вольт:
Датчик реагирует на свой пакетик:
Со стороны пробки бутылки тоже реагирует:
Приклеим двухсторонним скотчем 3М к бутылке:
Датчик отлично реагирует. При двух слоях скотча, датчик не всегда срабатывает:
Потребление составляет порядка 5-6 мА:
Ну и конечно попробуем применить в реальных условиях, работая с контроллером. В качестве контроллера возьмём Arduino Nano, также добавим индикаторный светодиод, получился такой комплект:
Светодиод подключим к выводу D3 и земле, а сигнальный выход датчика к выводу A0 (D14 — так как мы будем его использовать в цифровом режиме), также на датчик подадим питание от контроллера:
Учитывая, что датчик предназначен для воды, работая с ним очень важно защитится от дребезга контактов, например при волнах, когда работает насос. Также, я покажу как организовать такую защиту не пользуясь задержками в программе, собственно код: // Текущее состояние сенсора bool SensorState = false; // Время начала смены unsigned long SensorStartChange = 0; // Защитный интервал между сменами состояния unsigned long TIMEOUT = 3000; // Текущее время unsigned long CurrentTime = 0; void setup() { // Светодиод это выход pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Вначале не светим digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Сенсор это вход pinMode(SENS_PIN, INPUT); } void loop() { // Устанавливаем текущее время CurrentTime = millis(); // считываем сенсор boolean CurrentState = digitalRead(SENS_PIN); // если текущее состояние сенсора отличается считанного if (CurrentState != SensorState) { // если отсчет таймера смены состояния не начат, начинаем if (SensorStartChange == 0) SensorStartChange = CurrentTime; // если новое состояние приняло свое значение за время большее чем время таймаута if (CurrentTime — SensorStartChange > TIMEOUT) { // меняем состояние сенсора SensorState=!SensorState; // сбрасываем время начала смены состояния SensorStartChange = 0; // если текущее состояние сенсора 1, то включаем светодиод if(SensorState){ digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // если текущее состояние сенсора 0, то выключаем светодиод }else{ digitalWrite(LED_PIN, LOW); } } // смена состояния не состоялась, сбрасываем таймер }else{ SensorStartChange = 0; } } Я прокомментировал все строчки, чтобы было все понятно. Инициализируем выходы и проверяем смену состояния сигнального выхода датчика с защитой от дребезга контактов. В данном коде, защитный интервал составляет 3000 мс = 3 секунды, часто этот интервал целесообразно увеличить до минуты, чтобы исключить влияние волн от насоса. Код простой, однако на его основе легко, например, организовать защиту от сухого хода насоса (очень нежелательно большинству насосов работать без воды), такие устройства стоят неразумных денег, а тут можно вполне обойтись малой кровью, да еще и реализовать автовосстановление работы насоса при появлении воды и еще ряд приятных плюшек — типа индикации. Для этого нужно такой датчик приклеить или как то закрепить ближе ко дну ёмкости, а насос подключить через реле управляемое контроллером. По умолчанию насос будет включен, как датчик распознает отсутствие воды — контроллер отключит насос, а при появлении воды — включит. Также на этом датчике можно организовать защиту от протечек, особенно учитывая его влагозащищенность, в общем, каждый сможет приспособить этот простой код под свои нужды. А главное датчики можно перемещать по ёмкости без ее повреждения — регулируя под себя уровни. Видео иллюстрирующее работу датчика и контроллера с указанным кодом:
Я собрал такой макет для тестирования разных емкостей:
С макетом обошел дачный участок, датчик сумел обнаружить воду во всех неметаллических ёмкостях, включая довольно толстостенное ведро. Поэтому на текущем этапе могу его вполне рекомендовать, надежность покажет время.
Время реакции датчика составляет порядка 500 мс. Толщина стенки сосуда из диэлектрика может достигать 1 см.
Принцип работы датчика заключается в изменении ёмкости от паразитной ёмкости воды, при определенном пороге возникает резонанс и датчик срабатывает. Напряжение питание в диапазоне от 3 до 24 Вольта — никак не влияет на чувствительность.
Просили проверить чувствительность, так вот иллюстрация лучше всяких слов:
Как датчик протечек будет работать отлично.
Разные фотки по просьбам
с этим вообще никак — левый спирт: фэри:
толстая канистра 40 литров:
дистиллированная вода:
крепкие напитки:
бутыль кулера в самом толстом месте:
уайт спирит — нет:
Через керамический унитазный бачок легко находит воду:
Открыл крышку, внутри залито компаундом, но имеется вывод потенциометра, после выкручивания вправо — датчик перестал реагировать на воду, после выкручивания влево начал реагировать на боковые прикосновения пальцем, похоже это регулировка чувствительности.
Если будет интересно, продолжу писать про свои дачные поделки. Спасибо всем, кто дочитал этот обзор до конца, надеюсь кому-то данная информация окажется полезной. Всем полного контроля над своими водными ресурсами и добра!
Емкостные датчики
Работа датчиков этого типа основана на свойствах конденсатора изменять свою электрическую емкость при изменении показателя диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между его обкладками. Применяются конденсаторы коаксиального типа, представляющие собой пару соосных пустотелых металлических цилиндров разного диаметра.
Последние являются обкладками конденсатора, между которыми может свободно проникать жидкость. Показатели диэлектрической проницаемости воздуха и жидкой среды имеют разные значения. Заполнение резервуара приводит к изменению значения общей диэлектрической проницаемости коаксиального конденсатора и, соответственно, его электрической емкости.
Частота колебательного контура, в цепь которого включен конденсатор, изменяется пропорционально изменению его емкости. Электронный преобразователь частота/напряжение отслеживает это изменение и выдает на индикацию значение, пропорциональное степени заполнения резервуара.
Особенности применения
Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:
- проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
- проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
- в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.
Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.
Гидростатические датчики
Другое название такого устройства — детектор, или преобразователь давления. Они могут быть стационарными, закрепленными в нижней точке емкости, заполняемой жидкостью, или переносными. В последнем случае преобразователи давления комплектуются кабелем значительной длины. Это позволяет использовать их для резервуаров разных геометрических размеров.
Чувствительный элемент гидростатического датчика представляет собой мембрану, которая воспринимает давление столба жидкости над собой. Его настройка выполнена таким образом, что атмосферное давление не приводит к деформации мембраны. По величине давления в точке измерения можно определить высоту столба жидкости или степень заполнения резервуара.
Величина деформации мембраны преобразуется в пропорциональный электрический показатель, который затем используется для отображения уровня жидкости в резервуаре. Применяются поправки, учитывающие плотность измеряемой среды и ускорение свободного падения в точке измерения.
Разновидности по типу
Существует широкий спектр критериев, по которым можно разделить датчики уровня. Начиная от принципа действия и, заканчивая, способом передачи сигнала. Однако все сенсоры условно можно подразделить на две большие группы – контактные и бесконтактные.
Контактные
Под контактным датчиком следует подразумевать такое устройство, которому для функционирования требуется физический контакт с измеряемой поверхностью. Как правило, такие датчики применяются в условиях воздействия факторов, которые существенно усложняют измерения – высокая температура или давление. Также их массово используют для работы с пенящимися жидкостями, где верхний слой может вносить ощутимую погрешность при измерениях другими методами. Все контактные приспособления можно разделить на такие виды по принципу действия:
- Емкостные – состоят из двух пластин, погружаемых в жидкость. Измерения производятся по принципу конденсатора, у которого емкость будет изменяться в зависимости от высоты заполнения жидкостью пространства между обкладками конденсатора. Часто применяются для емкостей с небольшим объемом жидкости. Отличаются невысокой точностью замеров, но работают без подвижных частей, что существенно повышает их надежность.
Рис. 3. Емкостной датчик
- Гидростатические – основывается на законе Паскаля. Осуществляет измерение разности гидростатического давления в резервуаре, которое зависит исключительно от высоты столба жидкости. Обладают хорошей точностью, но могут применяться только в тех емкостях, где величина давления соизмерима с атмосферным. Они не подходят для жидкостей с переменной плотностью.
Рис. 4. Гидростатический датчик
- Байпасные – используют принцип сообщающихся сосудов, в таких датчиках информация об уровне измеряемой жидкости отображается наиболее наглядно. При изменении высоты столба в основном резервуаре датчик отобразит эти данные на собственном уровнемере. Однако такие модели не используются в условиях более +250°С и в средах, повышающих собственную вязкость со снижением температуры.
- Магнитные – являются подвидом поплавковых датчиков, так как уровень жидкости измеряется поплавком, перемещающимся по герметично запаянной трубке. Внутри трубки располагается геркон, срабатывающий в случае приближения или удаления поплавка с магнитом.
- Рефлексные микроволновые – принцип действия таких датчиков основывается на технологии рефлектометрии в зависимости от временного промежутка. Направленный волновой излучатель посылает сигнал, а сенсор воспринимает скорость возвращения импульса.
Рис. 5. Рефлексный микроволновой датчик уровня жидкости
Основным недостатком этих моделей является необходимость погружения устройства по всей глубине, что не всегда удобно для больших резервуаров. Но, в отличии от других датчиков уровня жидкости, рефлексные модели не зависят от наличия или отсутствия пены, твердых частиц, плавающих в толще или на поверхности, диэлектрической проницаемости.
Бесконтактные
Бесконтактные датчики представляют собой такие устройства, которым для функционирования не требуется осуществлять физический контакт с измеряемой поверхностью. Такие устройства применяются в агрессивных жидких средах, где возможен быстрый износ элементов сенсора из-за влияния активных компонентов. Также их устанавливают в тягучие жидкости и среды с большой вязкостью. Все бесконтактные датчики условно подразделяют на такие категории:
- Ультразвуковые — являются одним из наиболее распространенных типов бесконтактных датчиков уровня жидкости. Принцип действия основывается на способности жидкости отражать ультразвуковой спектр излучения. Генератор ультразвука, неслышимого для человеческого уха, посылает сигнал от верхней точки к линии раздела сред. При столкновении с жидкостью сигнал отражается и возвращается к датчику, где он воспринимается сенсором. В зависимости от времени перемещения ультразвука делается заключение об уровне в резервуаре.
- Радарные микроволновые – аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что в качестве объекта измерения выступает не ультразвук, а микроволны.
Рис. 6. Радарный микроволновой датчик уровня жидкости
Существенным недостатком датчиков радарного типа является восприимчивость к газовым подушкам, которые могут скапливаться над поверхностью жидкости.
- Радиоизотопные – используют гамма излучение для контроля уровня жидкости, частицы направляются в контролируемый резервуар.
Рис. 7. Радиоизотопный датчик
В связи с опасностью воздействия на живые организмы является самым дорогим и наименее распространенным вариантом. При его использовании обязательно обеспечиваются дополнительные меры безопасности для обслуживающего персонала.
Датчики радарного типа
Датчик уровня жидкости емкости использует бесконтактный метод измерения, основанный на свойствах этой среды любой плотности и вязкости отражать электрический сигнал. Частота излучаемого сигнала радиолокатора, расположенного над поверхностью измеряемого уровня жидкости, изменяется по линейному закону.
Отраженный от поверхности, он приходит на приемное устройство с задержкой, определяемой длиной пройденного пути. Таким образом, между частотами двух сигналов присутствует разница. По величине сдвига частоты анализирующее устройство локатора определяет пройденный сигналом путь или уровень отражающей жидкости относительно места расположения радиолокатора.
Рефлекс-радарный уровнемер
Принцип измерения
Принцип измерения рефлекс-радарного TDR уровнемера основан на технологии рефлектометрии во временно области (TDR — «Time Domain Reflectometry»). Часто такие приборы также называют уровнемерами с направленной волной, контактного типа (GWR — «guided wave radar»). При данном способе измерений электромагнитные импульсы малой мощности и длительностью около 1 наносекунды распространяются по волноводу (чаще всего стержень или несколько стержней, трос, коаксиальная конструкция). Импульсы движутся со скоростью, определяемой характеристиками среды распространения, геометрией волновода — как конструкции распространения электромагнитного излучения. В случае распространения в воздухе при нормальных условиях скорость распространения считают равной скорости света. Скорость распространения обратно-пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости среды распространения [1]. В случае распространения импульсов через слой среды, диэлектрическая проницаемость которой близка к 2 (почты все нефтепродукты), скорость распространения снизится в 1.414 раз. Достигнув поверхности контролируемого продукта, импульсы отражаются от границы раздела сред, а интенсивность отражения также зависит от диэлектрической постоянной продукта εr (например, от поверхности воды отражается до 80% от уровня первоначального импульса, для светлых нефтепродуктов — около 17%). Прибор измеряет временной интервал между моментами излучения и отражения импульсов. Половина этого времени соответствует расстоянию между точкой начала отсчёта (часто принимают за начало отсчета уплотнительную поверхность фланца) и поверхностью измеряемой среды. Это временное значение преобразуется в выходной сигнал требуемого типа, например 4…20 мА и/или дискретные сигналы, либо сохраняется в доступном для считывания/доступа виде с использованием цифрововых интерфейсов/протоколов (например RS-485, Modbus RTU, HART и т.п.). Особенностью приборов данного типа является возможность измерения межфазного уровня одновременно с измерением уровня основного продукта, без применения движущихся частей. Отдельные приборы такого типа удобно объединяют в себе измерение уровня и температуры продукта. Пыль, пена, испарения, неспокойная поверхность, кипящие жидкости, колебания давления и температуры, плотности практически не влияют на работу прибора.
Ультразвуковые датчики уровня
Схема измерения, использующаяся для датчиков этого типа, соответствует рассмотренной в предыдущем разделе статьи. Локационный метод измерения применяется в ультразвуковом диапазоне длин волн.
Полученные данные определяют разницу во времени между излученным передатчиком и принятым приемником сигналами. Используя данные о скорости распространения ультразвука в пространстве над поверхностью жидкости, анализирующее устройство определяет расстояние, пройденное сигналом, или уровень жидкости в резервуаре.
