Поплавковые датчики уровня жидкости: разновидности, принцип работы, достоинства и недостатки

Поплавковый уровнемер: подробно простым языком

Поплавковый уровнемер — это прибор для измерения уровня жидкости, сконструированный так, что он плавает наполовину погруженным в жидкость, другая же половина находится над поверхностью жидкости.
Поплавки — это пустотелые предметы, которые всегда входят в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью. Можно использовать вертикальные перемещения поплавка в качестве непосредственного измерения эквивалентного изменения. Перемещения поплавка могут передаваться на ряд различных устройств, с помощью которых осуществляется или непрерывное измерение уровня или же определение уровня с уставками.

Поплавковый уровнемер Рекомендуем разобраться что такое уровень, а также обратить внимание на другие приборы для измерения уровня.

Отзывы об использовании прибора

Пользователи в первую очередь хвалят поплавковые датчики за их точность и высокую степень повторяемости. Несмотря на простую конструкцию и отсутствие сложной технической начинки, такие приборы дают достойные результаты измерения. К плюсам относятся и преимущества в виде доступной цены и независимости измерений от химического состояния жидкости. Опять же, для оценки плотности, вязкости и других показателей среды используются специальные модели устройств, но поплавковые уровнемеры специализируются именно на объеме среды. Тем не менее есть и негативные отзывы. Дело в том, что работа поплавка может зависеть от колебаний в жидкости. Плескания и небольшие вибрации могут исказить показания поплавка.

Принцип работы поплавкового уровнемера

Плавучесть — это направленная вверх сила или подъемная сила, выталкивающая вверх погруженный в жидкость предмет. На любой предмет, погруженный в жидкость действует подъемная сила, равная по величине весу вытесненной жидкости.

Демонстрационный показ вытеснения, подъемной силы и кажущейся потери веса

На рисунке выше проиллюстрированы взаимоотношения между вытеснением, подъемной силой и весом, а также показано, как у предмета, погруженного в жидкость происходит кажущаяся потеря веса, соответствующая по величине весу вытесненной им жидкости.

На рисунке изображены: предмет цилиндрической формы, подвешенный на весах; большой сосуд, заполненный жидкостью до уровня переточной трубы; пустой сосуд размером поменьше для сбора вылившейся из большого сосуда жидкости, при условии вытеснения жидкости из большого сосуда. Вес предмета показан на шкале весов.

При погружении предмета в жидкость часть жидкости выливается в пустой сосуд. Изменение показания веса на весах указывает на то, что вес предмета уменьшается. Величина этой кажущейся потери веса равна весу жидкости, вытесненной в пустой сосуд.

Если вес предмета больше веса вытесненной им жидкости, предмет будет находится в погруженном состоянии, но потеря его веса будет по-прежнему равняться весу вытесненной им жидкости. Если предмет (при полном погружении) весит меньше, чем объем вытесненной им жидкости, предмет поднимется на поверхность и будет держаться на поверхности жидкости. Дрейфующий предмет будет плавать именно на том уровне, на котором вес вытесненной им жидкости будет точно равняться весу самого предмета.

Плавучесть на примере двух предметов

На рисунке выше проиллюстрировано явление плавучести на примере двух подвешенных предметов, спускающихся в резервуар с жидкостью. Предмет, находящийся слева, плавает: подъемная (выталкивающая) сила жидкости по величине больше веса предмета. Действие предмета, находящегося справа, подобно действию вытеснителя. По мере повышения уровня жидкости он будет погружаться в жидкость, поскольку выталкивающая сила жидкости по величине меньше веса предмета.

Сигналы перемещения поплавкового уровнемера в результате его подъема или снижения в соответствии с изменением уровня жидкости могут переводится в показания уровня с помощью ряда различных устройств, включая откалиброванные стержни; рычажные соединения; ленты (или цепи); шкивы и противовесы; канаты и скользящие стрелки-указатели; подъемные механизмы и механические выключатели.

Стержень со стрелкой-указателем и шкалой монтируются на внешней стороне резервуара. Поплавковый уровнемер, который закрепляется внизу стержня, виден в этом примере через отверстие, закрываемое крышкой, наверху резервуара. Любое изменение положения поплавка показывается смещением стрелки вдоль шкалы.

А также поплавок может быть подсоединен непосредственно к индикаторной стрелке с помощью рычажного соединения. Это механическое соединение выведено с выходом прямо на стрелку на индикаторном устройстве. При поднимании или опускании поплавка внутри резервуара рычажная передача смещает стрелку вдоль шкалы на индикаторе.

Содержание

Принцип работы

Принцип действия буйковых уровнемеров основывается на законе Архимеда, в соответствие с которым на погруженный в измеряемую среду буек, действует специальная выталкивающая сила. Количество вытесненной жидкости напрямую зависит от уровня погружения буйка в баке.

При изменении уровня жидкой среды изменяется степень погружения буйка датчика, что приводит к изменению его массы. Изменение веса буйка прибора через рычаг направляется на торсионную трубку. Поворотное движение торсионной трубки передается через датчик магнитного поля на контроллер, преобразующий угол поворота в электрический сигнал. Он обрабатывается микропроцессорным автоматизированным блоком и преобразуется в цифровое значение уровня, выводимое на дисплей электронного блока уровнемера и передается по специальному HART-протоколу. При этом значение уровня преобразуется в выходной токовый сигнал (4-20 мА). Действие выталкивающей силы оценивается специальными устройствами. Фактически существует 2 варианта технического исполнения датчика:

Сфера применения буйковых уровнемеров

Буйковые уровнемеры используются преимущественно для решения задач контроля уровня, раздела границ фаз и измерения плотности. Чаще всего они используются для проведения исследований:

Также уровнемеры буйкового типа нередко применяются для сбора сведений в АСУ (границы фаз, уровень, плотность среды), металлургии или в химической и нефтехимической промышленности (в т.ч. нефтедобыче и нефтепереработке). Точная сфера эксплуатации оборудования определяется особенностями его строения и указывается в паспорте прибора.

Достоинства буйковых уровнемеров

Буйковые датчики уровня имеют много преимуществ, к которым можно отнести удобный метод измерения, по которому они работают (этот способ хорошо известен: он минимизирует вероятность возникновения возможных ошибок и неточностей при контроле жидкостей). Также плюсами буйковых уровнемеров можно назвать простоту конструкции, большим диапазоном рабочих температур и давления, широкую область применения и т.д. При этом изделия способны:

Легкость технических измерений

Основным преимуществом буйкового датчика является достаточно простой способ измерения. На сегодняшний день он является одним из самых лёгких, правильных и качественных. При этом за счет полной автоматизации этот способ практически во всех случаях исключает погрешности в ходе исследований.

Простота конструкций

Конструкция поплавковых буйковых уровнемеров создана в соответствии со всеми международными и национальными правилами и нормами, что обеспечивает ее мобильность, безопасность и эффективность использования. Строение приборов позволяет использовать их даже в труднодоступных местах для измерения жидких материалов с любыми характеристиками.

Широкий диапазон измерения рабочей среды

Буйковые уровнемеры для резервуаров отличаются многофункциональностью и универсальностью. Их можно использовать во многих бытовых и производственных сферах. Единственное исключение: прибор не стоит использовать в тех местах, где к поплавку могут прилипнуть посторонние вещества.

Недостатки буйковых уровнемеров

Основными недостатками буйковых уровнемеров считаются:

Что нужно проверить при покупке буйковых уровнемеров

В рамках приобретения датчиков буйкового типа для жидкостей следует проверить их маркировку и данные, которые касаются:

Эти и другие сведения можно найти в паспорте оборудовании, инструкции по эксплуатации и прочих технических документах на устройство.

Меры безопасной эксплуатации буйковых датчиков и преобразователей

В ходе использования уровнемера буйкового типа следует соблюдать определенные меры безопасности (вне зависимости от давления и температуры исследуемой жидкости). Персонал фирмы, которая осуществляет эксплуатацию оборудования, может быть допущен к монтажу, техобслуживанию, использованию и ремонту аппаратуры только после изучения описания оборудования, инструкции по ТБ, а также проверки знаний и получения необходимого инструктажа. Перед установкой приборов нужно проверить:

После этого нужно провести регулировку уровнемера. Все работы должны проводиться в соответствие с требованиями ГОСТ Р 51330.16 «Проверка и техническое обслуживание электроустановок во взрывоопасных зонах». При этом в рамках эксплуатации буйковых уровнемеров обслуживающему персоналу запрещено:

Техническое обслуживание буйковых уровнемеров

Техобслуживание датчика уровня рабочей среды заключается преимущественно в корректировке «нуля», проверке общего конструктивного состояния и в периодической поверке. Если нарушена герметичность фланцевых уплотнений, необходимо менять уплотнительную прокладку.

При эксплуатации буйковый датчик взрывозащищенного исполнения должен подвергаться регулярному внешнему осмотру, при котором нужно проверять отсутствие обрывов или нарушений изоляции соединительных линий, надежность монтажа кабелей, отсутствие вмятин и различных видимых механических повреждений оболочки прибора.

Наладка уровнемеров

Наладка уровнемера для жидкостей осуществляется таким образом, чтобы буек устройства погружался непосредственно при максимальном уровне исследуемой рабочей среды. Предмонтажная проверка датчиков выполняется обычно производится весовым методом. После этого эксперты настраивают измерительную систему таким образом, чтобы погрешность показаний не превышала определенного допуска (вне зависимости от остальных характеристик материала: давления, температуры, массы и т.д.).

Источник

Конструктивные особенности и принцип работы

Конструкция измерителей уровня жидкости в резервуаре определяется такими характеристиками:

1. Функциональностью. По этому параметру все измерительные устройства этого класса классифицируют на уровнемеры и сигнализаторы уровня жидкости. Последние определяют конкретную точку наполненности емкости (максимальную и минимальную), а первые — постоянно контролируют уровень жидкости.
2. Принципом работы. В основу этого параметра заложена акустика, оптика, магнетизм, электропроводность и так далее. От принципа действия устройства зависит область его применения.
3. Методика измерения (бесконтактная или контактная).

Кроме того, конструктивные особенности устройства определяют тип технологической среды. Например, уровнемеры в баках с питьевой водой отличаются от приспособлений, которые предназначены для измерения наполненности резервуаров с промышленными стоками.

ДАТЧИК УРОВНЯ ВОДЫ И ДРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ

Отслеживание уровня воды и аналогичных жидкостей осуществляется с помощью приборов с разным типом и функционалом. Выбор конкретного варианта делают исходя из поставленных задач, внешних условий и свойств рабочей жидкости.

Во избежание ошибок и лишних трат подбор и монтаж датчиков производственного и общественного назначения доверяют специалистам. Датчики для индивидуального пользования без проблем выбираются и устанавливаются самостоятельно.

Данная группа для измерения уровня воды или других жидкостей представлена приборами с абсолютно разным принципом работы.

Эти устройства могут быть механическими, электронными, магнитными, оптическими, гидростатическими или локационными.

Они устанавливаются в местах с затруднительным или отсутствующим доступом к воде или при наличии угрозы безопасности при прямом измерении.

Простейшие датчики уровня работали за счет базовых законов физики (силы выталкивания или разницы в электропроводности разнородных сред). Современные разновидности пригодны для решения самых разных задач, включая:

• онлайн мониторинг фактического уровня воды;
• оповещение о достижении предельных или заданных значений уровня жидкости;
• измерение и расчет объема рабочей жидкости в емкостях со сложной формой или скорости ее расхода;
• хранение, накопление и обработку результатов.

Исходя из функционального назначения все датчики уровня воды делятся на уровнемеры и сигнализаторы. Первые устанавливаются с целью непрерывного мониторинга этого параметра и преобразовывают его значение в аналоговый или цифровой сигнал.

Вторые задействуются при необходимости получения сигнала или команды о достижении определенного значения уровня жидкости в емкости.

Разновидности датчиков

Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:

1. Поплавковый. Это самый простой вариант измерения уровня воды в баке. Конструкция поплавкового уровнемера включает в себя 2 геркона, магнит и поплавок. Когда уровень жидкости увеличивается, поплавок поднимается до первого геркона, который отключает реле двигателя. Если резервуар опустошается, поплавок опускается до второго геркона, который запускает реле и включает насос, перекачивающий жидкость из скважины. Герконовый датчик предельного уровня жидкости можно сделать своими руками. При этом он будет работать, даже если в резервуаре будет объемный слой пены.
2. Ультразвуковой. Эта разновидность измерительных устройств применяется как для сухой, так и для жидкой среды. Ультразвуковые датчики могут иметь дискретный или аналоговый выход. То есть приспособление может постоянно контролировать уровень воды или ограничивать наполнение емкости при достижении конкретной точки. Такой уровнемер состоит из приемника, УЗ-излучателя и контроллера, отвечающего за обработку сигнала. Сигнализаторы ультразвукового типа являются беспроводными и бесконтактными, поэтому их можно устанавливать даже во взрывоопасных и агрессивных жидкостях.
3. Электродный (кондуктометрический). Такие уровнемеры не подходят для емкостей с дистиллированной водой. Стандартная конструкция оснащена трехуровневым сигнализатором, в котором наполнение резервуара контролирует пара электродов, а третий — предназначен для аварийных ситуаций, для запуска режима активной откачки.
4. Емкостный. С использованием таких уровнемеров можно точно идентифицировать предельное наполнение резервуара. Они подходят как для жидкостей, так и для сыпучих субстанций. Емкостные уровнемеры функционируют по такому же принципу, что и конденсаторы: измерение выполняется между пластинками чувствительного элемента. При достижении пикового значения на контроллер отсылается соответствующий сигнал. Иногда емкостные сигнализаторы работают по принципу «сухого контакта», при котором устройство срабатывает через стенку резервуара. Эти приспособления могут эффективно работать в очень обширном диапазоне температур, на их функционирование не влияет электромагнитное излучение. Такие эксплуатационные свойства расширяют область использования емкостных уровнемеров.
5. Радарный. Эта разновидность сигнализаторов является универсальной, так как она работает с любыми видами технологических сред, включая взрывоопасные и агрессивные жидкости. При этом показания не будут изменяться под воздействием температуры и давления. Прибор излучает радиоволны в определенном частотном диапазоне. Приемник улавливает отраженный радиосигнал и определяет заполненность резервуара, руководствуясь периодом задержки сигнала. На датчик-измеритель не влияет температура и давление. Запыленность технологической среды тоже не сказывается на показаниях. Специалисты отмечают, что радарные приспособления обладают максимальной точностью, так как их погрешность не превышает 1 мм.
6. Гидростатический. Этот тип сигнализатора позволяет измерять как текущее, так и предельное наполнение емкостей. Принцип работы гидростатического устройства базируется на измерении давления столба жидкости. Популярность таких датчиков обусловлена небольшой ценой и достаточной точностью.

ВИДЫ ДАТЧИКОВ УРОВНЯ ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

В зависимости от способа контакта с жидкой средой все датчики этого типа разделяются на:

• контактные;
• бесконтактные.

Вторая группа более ограничена и представлена высокотехнологичными радарными микроволновыми уровнемерами и ультразвуковыми датчиками обоих типов.

Микроволновые радарные уровнемеры

в свою очередь разделяются на приборы с разным принципом действия (контроль импульсов или FMCV локация), рабочим диапазоном и частотой излучения. Эти уровнемеры признаны самыми совершенными, единственным ограничением их применения считается высокая цена.

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров и сигнализаторов

основан на анализе времени распространения импульсов от сенсора-излучателя до жидкой среды. К преимуществам приборов этой группы относят экономичность, компактность и неприхотливость, в целом их характеристики считаются универсальными.

Сфера применения ультразвуковых разновидностей ограничена водой и другими жидкостями, для измерения уровня сыпучих веществ они не подходят. К учитываемым особенностям этих устройств также относят потребность в компенсации некоторых внешних влияний (ветра, наличия пенного слоя).

Контактные датчики

более распространены и многообразны. В зависимости от принципа действия эта группа условно разделяется на:

• емкостные и кондуктометрические разновидности, имеющие схожий принцип работы и определяющие уровень по изменению емкости среды и показателей сопротивления соответственно;
• поплавковые измерители в свою очередь разделяемые на простые механические и усовершенствованные герконовые;
• гидростатические уровнемеры и сигнализаторы, используемые при отслеживании уровня воды и жидкостей с постоянной плотностью при давлении внешней среды не выше атмосферного;
• оптические электронные сигнализаторы предельного уровня, отслеживающие это значение за счет изменения отражательной способности воды;
• вибрационные устройства, отслеживающие достижение определенного уровня за счет анализа изменений амплитуды колебаний чувствительного элемента.

Поплавковые механические датчики

имеют самый простой принцип работы (контакты замыкаются при выталкивании поплавка рабочей жидкостью). Устройства этой группы ценятся за надежность и доступность, но из-за срабатывания исключительно при достижении определенного предела их возможности ограничены.

Герконовые

(они же магнитно-поплавковые) датчики этих недостатков лишены, контакты их чувствительных элементов могут замыкаться по мере приближения магнита. Все поплавковые разновидности не нуждаются в сложном монтаже и обходятся дешево, но в клейких и динамичных средах они малополезны.

Емкостные датчики

оснащаются специальными электродами, образующими с корпусом примитивный конденсатор. Их используют для мониторинга уровня воды и любых не вспенивающихся и не набрызгивающихся на зонд жидкостей (исключение – емкостные радиочастотные виды).

Кондуктометрические

разновидности датчиков уровня жидкости оснащаются жесткими стержнями или гибкими тросовыми электродами. Функции общего электрода у них выполняют металлические стенки рабочего резервуара или контрольные стержни.

Замыкание реле происходит при контакте рабочего элемента с пищевой или технической водой, напитками, растворами солей или щелочей и стоками. Их преимущества и недостатки во многом схожи с емкостными, но длину их электродов легче менять. В отличие от емкостных разновидностей кондуктометрических принцип реализуется исключительно в сигнализаторах.

Гидростатические разновидности имеет широкую сферу применения и ценятся за надежность и неприхотливость. В частности, с их помощью отслеживается уровень воды в скважинах (безальтернативное применение), контролируется давление в насосных и котельных и работа оросительных установок.

Но из-за риска получения некорректных результатов их не рекомендуют использовать для отслеживания уровня растворов с переменной плотностью.

Оптические электронные датчики

используются в качестве альтернативы герконовым при отслеживании уровня воды в резервуарах, находящихся под вибрацией.

Они ценятся за компактность и возможность получения независимых от внешних факторов результатов. Из-за дороговизны, ограничений в объеме резервуаров и потребности в профессиональном монтаже они используются реже остальных.

Вибрационные сигнализаторы срабатывают при изменении вибрации вилочковых чувствительных элементов. Такие приборы имеют средние показатели точности и экономичности и хорошо себя проявляют при работе с пенными и вязкими средами. Вибрационные сигнализаторы не имеют эксплуатационных недостатков, но для постоянного мониторинга или выдачи сверхточных результатов они не предназначены.

Правила выбора

Выбирать уровнемер для резервуаров необходимо с учетом большого количества факторов. Среди них:

• состав воды;
• объем емкости и материал, который был использован для ее изготовления;
• потребность в контроле предельного и минимального уровня жидкости или мониторинг действительного состояния;
• возможность внедрения автоматического управления в систему;
• коммутационные возможности приспособления.

Для выбора бытовых устройств важно учитывать объем емкости, схему управления и принцип срабатывания.

Преимущества буйковых уровнемеров

К общим достоинствам буйковых уровнемеров относят метод измерения, по которому они работают – он хорошо известен и практически исключает ошибки и неточности при контроле жидких сред. Также буйковые уровнемеры отличаются простотой конструкции, широким диапазоном рабочих давлений и температур, что делает область применения устройства очень разнообразным. Пожалуй, единственный недостаток данных приборов – это запрет на использование в средах, образующих налипание или отложение осадка на поплавок.

Различные модификации имеют свои особенности и преимущества. Например, буйковые преобразователи уровня СКБ-02 обладают возможностью:

Популярные модели

Современный рынок предлагает много моделей сигнализаторов. Самые популярные из них:

1. ДЕ-1 (датчик емкостный). Чаще всего этот сигнализатор используется в агрессивных средах химической и металлургической промышленности. Он позволяет контролировать температуру и уровень сыпучих и жидких веществ. Нередко используется в установках аварийной защиты.
2. ЭСУ-1 (электронный сигнализатор уровня). Корпус этой модели изготовлен из высококачественной стали и фторопласта. Чаще всего ЭСУ-1 устанавливают во взрывоопасных и агрессивных средах. Источник электропитания находится за пределами технологической среды. Датчик измеряет уровень нефти, спирта и воды. Блок питания выполнен из прочного алюминиевого сплава.
3. РУ-305 (реле уровня). Этот прибор предназначен для контроля состояния жидких сред. Его корпус выполнен из особого материала и может с легкостью выдерживать температуры от -50 до +50 градусов Цельсия. Однако РУ-305 запрещается применять в агрессивных химических средах. Из недостатков этого уровнемера потребители отмечают лишь то, что он работает только в одном положении, без наклона. Измерение уровня осуществляется посредством перемещения магнита с поплавком и срабатывания герконом. Измерения имеют точность не более 5 мм.
4. СУ-100 (сигнализатор уровня). Датчик для измерения уровня сыпучих и жидких веществ. В конструкции СУ-100 присутствует электромагнитное реле.
5. Rosemount 5600. Этот радарный датчик уровня позволяет бесконтактно измерять любую разновидность веществ. Чтобы добиться максимально точных показаний, уровнемер необходимо правильно установить. Точность показаний устройства может ухудшаться из-за воздействия электромагнитного излучения. Корпус обладает взрывозащитной конструкцией и дисплеем, на котором отображается вся необходимая информация. Rosemount 5600 может использоваться для измерения температурных показателей в резервуаре. Чтобы в полной мере оценить возможности этого оборудования, ему необходима квалифицированная настройка с учетом диаметра трубопровода, длины уровнемера и расстояния между уровнем и опорной точкой.

Сложные модели целесообразно приобретать лишь для промышленного применения. Для бытовых целей подходят простейшие варианты уровнемеров.

Поплавковым уровнемером

называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погруженного в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости не зависит от контролируемого уровня. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. В статическом режиме на поплавок действуют: сила тяжести G и выталкивающие силы жидкости и газовой среды. При перемещении поплавка появляется также сила сопротивления в подвижных элементах уровнемера. Если пренебречь силой сопротивления кинематики и выталкивающей силой газовой фазы, то действующие на поплавок силы связаны уравнением

Производители и цены

Высококачественные модели предлагает компания NivoFlip, выпуская одиночные и комплексные решения для замеров уровня в жидкостных средах. В ее линейке можно найти модели со шкалой измерения до 3500 мм, при этом компания отмечает 10-миллиметровую точность отражения результата. Конкуренцию этому производителю составляет фирма RizurNBK. В ее семействе широко представлены и качественно исполнены магнитные устройства – в том числе с роликовыми байпасными указателями. В обоих случаях предлагается поплавковый уровнемер, цена которого варьируется в среднем от 1 до 3 тыс. руб. Если же необходим простой бюджетный аппарат, то можно обратиться к продукции предприятия «Альбатрос», которое выпускает модели с ценниками порядка 500-700 руб. Это вполне добротные, функциональные и гибкие в применении устройства для самых разных задач.

Уровнемеры для сыпучих материалов

Предназначены для непрерывного контроля уровня сыпучих материалов: цемента, песка, щебня, муки, зерна и других. В ассортименте нашей компании представлены контактные и бесконтактные преобразователи уровня от производителя NIVELCO: емкостные, микроволновые, ультразвуковые.