Кіріспе

Ағынды заттардың деңгейін анықтауға арналған сенсорлар. Деңгей сенсорлары сұйықтықтардың, басқа да ағын өтімді заттардың және суспензиялардың, гранулаттардың, ұнтақтардың деңгейін анықтайды, олардың үстіңгі еркін беті бар. Ағып жатқан заттар гравитация күшінің әсерінен ыдыстарында (немесе басқа физикалық шекараларында) көлденеңге жақын орналасады, ал көптеген қатты заттар тыныштық бұрышымен төбеге жиналады. Өлшенетін зат ыдыстың ішінде немесе табиғи күйінде болуы мүмкін (мысалы, өзен немесе көл). Деңгей өлшемі үздіксіз немесе дискретті болуы мүмкін. Ұздіксіз деңгей сенсорлары белгілі бір диапазон ішінде деңгейді өлшейді және нақты бір жердегі заттың мөлшерін анықтайды, ал дискретті деңгей сенсорлары заттың сезімдік нүктеден жоғары немесе төмен екенін ғана көрсетеді. Әдетте, соңғылары тым жоғары немесе тым төмен деңгейді анықтайды. Өндірістік және коммерциялық процестер үшін оңтайлы деңгейді бақылау әдісін таңдауға әсер ететін көптеген физикалық және қолданысқа қатысты айнымалылар бар. Таңдау критерийлеріне физикалық сипаттамалар жатады: фаза (сұйық, қатты немесе суспензия), температура, қысым немесе вакуум, химиялық құрамы, ортаның диэлектрлік тұрақтылығы, ортаның тығыздығы (салыстырмалы салмағы), араласу (әрекет), акустикалық немесе электр шуы, діріл, механикалық соққы, резервуардың немесе контейнердің көлемі және пішіні. Сондай-ақ, қолданыс шектеулері де маңызды: бағасы, дәлдігі, сыртқы түрі, жауап беру жылдамдығы, калибрлеу немесе бағдарламалаудың қарапайымдылығы, құралдың физикалық өлшемдері мен орнатылуы, үздіксіз немесе дискретті (дискретті) деңгейлерді бақылау немесе басқару. Қысқасы, деңгей сенсорлары өте маңызды сенсорлардың бірі болып табылады және тұтынушылар мен өнеркәсіптік салаларда маңызды рөл атқарады. Басқа сенсорлар сияқты, деңгей сенсорлары да қол жетімді немесе әртүрлі сезімдік принциптерді пайдалана отырып жобаланылуы мүмкін. Қолданыс талаптарына сәйкес келетін сенсордың тиісті түрін таңдау өте маңызды.

Қатты заттарды анықтау үшін нүктелік және үздіксіз деңгей

Қатты заттардың нүктелік деңгейін анықтау үшін әртүрлі сенсорлар қолжетімді. Оларға дірілдейтін, айналмалы, механикалық (диафрагмалық), микротолқынды (радарлық), сыйымдылықты, оптикалық, импульстік ультрадыбыстық және ультрадыбыстық деңгей сенсорлары кіреді.

Дилдеу нүктесі

Олар өте ұсақ ұнтақтардың (көлемдік тығыздығы: 0,02), ұсақ ұнтақтардың (көлемдік тығыздығы: 0,2) және дөңгелек түйіршікті қатты заттардың (көлемдік тығыздығы: 0,5 немесе одан жоғары) деңгейін анықтайды. Тербеліс жиілігін дұрыс таңдап, сезімталдықты тиісті түрде реттегенде, олар жоғары ағылғы ұнтақтар мен электростатикалық материалдардың деңгейін де сезе алады. Бір зондты тербеліс деңгей сенсорлары ұнтақ деңгейін өлшеуге арналған. Тек бір сезімтал элемент ұнтақпен жанасқандықтан, екі зонд арасындағы байланыс болдырмайды және ортаның жиналуы азайтылады. Зондтың тербелісі сезімтал элементте материалдың жиналуын болдырмауға көмектеседі. Тербеліс деңгей сенсорларына шаң, диэлектрлік ұнтақтардың статикалық зарядының жиналуы, өткізгіштік, температура, қысым, ылғалдылық немесе ылғалдың өзгеруі әсер етпейді. Құбырша тәрізді тербеліс сенсорлары да қолданылуы мүмкін. Олар көбінесе арзан, бірақ тістер арасында материал жиналуына бейім.

Айналмалы қайырма

Айналмалы қалақ деңгейін анықтағыш құрылғылар – бұл көлемді қатты заттардың деңгейін көрсету үшін қолданылатын өте ескі және бекітілген техника. Бұл техникада қалақ дөңгелегін айналдыратын төмен жылдамдықты мотор пайдаланылады. Егер қалақ қатты материалмен тоқтатылса, мотор өз білігінде орналасқан күшімен бұрылады, содан кейін моторға бекітілген фланц механикалық қосқышқа тигенше айналады. Қалақ әртүрлі материалдардан жасалуы мүмкін, бірақ қалаққа жабысқақ материалдың жиналуына жол берілмеуі керек. Егер процестегі материал жоғары ылғалдылық деңгейі немесе бункердегі жоғары ауа ылғалдылығы салдарынан жабысқақ болса, жиналу мүмкін. Перлит, бентонит немесе ұшқыш күл сияқты өте төмен көлемдік салмағы бар материалдар үшін арнайы қалақ конструкциялары және төмен күш моменті бар моторлар қолданылады. Шанақ төсектеріне және моторға ұсақ бөлшектердің немесе шаңның енуіне жол бермеу үшін қалақты бункерге немесе контейнерге дұрыс орналастыру және тиісті тығыздағыштарды пайдалану қажет.

Қабылдау түрі

RF кірмелілік деңгей сенсоры кірмеліліктің өзгеруін өлшеу үшін таяқ тәрізді зонд пен RF көзін пайдаланады. Кабельдің жерге қатысты сыйымдылығының өзгеруінен туындайтын әсерді жою үшін зонд қалқандалған коаксиалды кабель арқылы жетеді. Зондтың айналасындағы деңгей өзгергенде диэлектриктің сәйкес өзгеруі байқалады. Бұл осы жетілмеген конденсатордың кірмелілігін өзгертеді, ал бұл өзгеріс деңгейдің өзгеруін анықтау үшін өлшенеді.

Сұйықтықтарды нүктелік деңгейде анықтау

Сұйықтықтардағы деңгейді нүктелік түрде анықтауға арналған жүйелерге магниттік және механикалық иінтіректер, қысым сенсорлары, электр өткізгіштік немесе электростатикалық (сыйымдылық немесе индуктивтілік) детекторлар, сондай-ақ сигналдың сұйықтық бетіне жеткен уақытын өлшеу арқылы электромагниттік (мысалы, магниттік стрикциялық), ультрадыбыстық, радарлық немесе оптикалық сенсорлар кіреді.

Магниттік және механикалық жүзу

Магниттік, механикалық, кабельдік және басқа да жүзу деңгейін өлшейтін сенсорлардың принципі механикалық қосқышты ашу немесе жабуды қамтиды, ол қосқышпен тікелей байланыста немесе қамыспен магниттік әрекеттесу арқылы жүзеге асырылады. Басқа жағдайларда, мысалы магнитостриктивті сенсорларда, жүзу принципін пайдаланып үздіксіз бақылау мүмкін. Магниттік әрекеттетілетін жүзу сенсорларында, ауысу жүзушінің ішінде орналасқан тұрақты магнит белгілі бір деңгейге көтерілгенде немесе түскенде болады. Механикалық әрекеттетілетін жүзушіде ауысу жүзушінің шағын (микро) қосқышқа қарсы қозғалысы нәтижесінде пайда болады. Магниттік және механикалық жүзу деңгейін өлшейтін сенсорлар үшін химиялық үйлесімділік, температура, меншікті салмақ (тығыздық), жүзу қабілеті және тұтқырлық сабақтың және жүзушінің таңдалуына әсер етеді. Мысалы, 0,5-тен төмен меншікті салмағы бар сұйықтықтармен бірге үлкен жүзушілерді пайдалануға болады, бірақ олар әлі де жүзу қабілетін сақтайды. Жүзуші материалының таңдалуы температураның меншікті салмақ пен тұтқырлыққа тигізетін әсеріне де байланысты, бұл өзгерістер жүзу қабілетіне тікелей әсер етеді. Жүзуші типті сенсорлар турбуленттік пен толқын қозғалысынан жүзушінің өзін қорғайтын қалқанмен жабдылуы мүмкін. Жүзу сенсорлары коррозиялық сұйықтықтарды қоса алғанда, әртүрлі сұйықтықтарда жақсы жұмыс істейді. Алайда, органикалық еріткіштерді пайдаланғанда, сенсорды жасау үшін қолданылатын материалдармен осы сұйықтықтардың химиялық үйлесімділігін тексеру қажет. Жоғары тұтқырлықтағы (қою) сұйықтықтармен, шламмен немесе сабаққа немесе жүзушілерге жабысатын сұйықтықтармен, немесе металл сынықтары сияқты ластаушы заттарды қамтитын материалдармен жүзу стиліндегі сенсорларды пайдалануға болмайды; осы қолданыстар үшін басқа сенсорлық технологиялар жақсырақ сәйкес келеді. Жүзу типті сенсорлардың арнайы қолданылуы – мұнай-суды бөлу жүйелерінде интерфейс деңгейін анықтау. Мұнайдың меншікті салмағына және судың меншікті салмағына сәйкес келетін екі жүзушіні пайдалануға болады. Станция типті жүзу түріндегі қосқыштың тағы бір ерекше қолданылуы – температура немесе қысым сенсорларын орнату, көп параметрлі сенсор жасау. Магниттік жүзу қосқыштары қарапайымдылығы, сенімділігі және төмен құны үшін танымал. Магниттік сезімталдықтың бір түрі – механикалық өлшегіштің магниттік сезімталдық көрсеткіштерін пайдаланатын «Холл эффектісі» сенсоры. Типик қолданыста, «Холл эффектісі» сенсоры магниттелген индикатор инесі бар механикалық бак өлшегішіне бекітіледі, өлшегіш инесінің орнын анықтау үшін. Магниттік сенсор индикатор инесінің орнын электрлік сигналға аударады, басқа (әдетте қашықтан) индикация немесе сигнализацияны жүзеге асырады. Бұл техника жиілік контурларына қолданылатын радиожиілік сигналдары үшін радиожиілік (RF) деп аталады. Сенсорлар 1,1 (кокс және ұшқыш күл) және 88 (су) немесе одан да жоғары диэлектрлік тұрақтысы бар материалды сезінуге арналған. Сусыздалған торт және ағынды сулар сияқты шламдар (диэлектрлік тұрақтысы шамамен 50) және тез күйдегі әк сияқты сұйық химиялық заттар (диэлектрлік тұрақтысы шамамен 90) да сезіледі. Бұл ультрадыбыстық деңгей сенсорларына және FMCW техникасын қолданатын Доплер жүйелеріне ұқсас. Ультрадыбыстық деңгей сенсорлары сияқты, микротолқынды сенсорлар да әртүрлі жиіліктерде, 1 ГГц-тан 60 ГГц-қа дейін орындалады. Жалпы алғанда, жиілігі жоғары болса, дәлдігі де жоғары және құны да жоғары. Микротолқынды пеш контактісіз техникамен немесе басқарылатын техникамен орындалады. Біріншісі бос кеңістік (соның ішінде вакуум) арқылы жіберілетін және кері шағылысатын микротолқынды сигналды бақылау арқылы жүзеге асырылады немесе «жиедегі радар» әдісі ретінде орындалуы мүмкін, ол әдетте бағытталған толқындық радар немесе бағытталған микротолқынды радар деп аталады. Соңғы әдісте, өнімділік әдетте ұнтақтарда және бос кеңістікте (контактісіз микротолқынды сенсорлардағыдай) жіберілетін электромагниттік энергияны жақсы қайтармайтын төмен диэлектрлік ортада жақсарады. Бұл әдіс сенсорды қолдану үшін қажетті толығырақ нәтижелер немесе қосымша ақпарат алу үшін қосымшаға тән толқын жетектерін қолдануға болады (мысалы, кейбір сенсорлар толқын жетектері немесе оның бөлігі ретінде резервуар бөлшектерін немесе басқа жабдықтарды пайдалана алады). Толқын жетектері электронды бөліктен алшақтатылғанда, қатал жағдайлар, радиация немесе жоғары қысымды сұйықтар/газдардың қайнауы бар резервуарлар үшін толқын жетектерін қашықтан пайдалану әдеттегі практика. Бірақ басқарылатын техникада бұрынғы сыйымдылық (RF) техникаларындағыдай, ыдысқа енгізілген зондтың тудыратын бірдей механикалық шектеулер бар. Контактісіз микротолқынды радар сенсорлары төмен өткізгіштікке ие «микротолқынды мөлдір» (өткізбейтін) шыны/пластмасса терезелері немесе ыдыс қабырғалары арқылы көре алады, микротолқынды сәуле арқылы өтіп, ішіндегі «микротолқынды шағылыстыратын» (өткізгіш) сұйықтықты өлшейді (микротолқынды пеште пластикалық ыдыс пайдалану сияқты). Олар жоғары температураға, қысымға, вакуумға немесе дірілге де аз әсер етеді. Бұл сенсорлар процестік материалмен физикалық контактіні қажет етпейтіндіктен, передатчик/приемник процестен қауіпсіз қашықтықта орнатылуы мүмкін, тіпті температураны төмендету үшін бірнеше метрлік антенна кеңейтімдерімен. Микроволновканың ультрадыбыстық сияқты негізгі артықшылығы – сигналды өңдеуге, көптеген бақылау, басқару, байланыс, орнату және диагностикалық мүмкіндіктерді қамтамасыз ететін микропроцессордың болуы және тығыздық, тұтқырлық және электрлік қасиеттердің өзгеруіне тәуелді емес. Сонымен қатар, олар ультрадыбыстың кейбір қолдану шектеулерін шешеді: жоғары қысымда және вакуумда, жоғары температурада, шаңда, температура және бу қабаттарында жұмыс істеу. Бағытталған толқындық радарлар тар шектеулі кеңістіктерде өте сәтті өлшеуге болады, себебі басқару элементі өлшенген сұйыққа дұрыс беруді және қабылдауды қамтамасыз етеді. Тұрақтандыру түтікшелерінің ішінде немесе сыртқы тіреулердің немесе қоршаулардың ішіндегі қолданыстар, қозғалатын бөлшектерді немесе байланыстарды жоятын және тығыздық өзгерістеріне немесе жиналуға әсер етпейтін жүзу немесе ығысу құрылғыларына тамаша балама болып табылады. Олар төмен микротолқынды шағылыстыру өнімдерімен, мысалы сұйық газдармен (LNG, LPG, аммиак) төмен температурада/жоғары қысымда сақталатын өнімдермен де өте жақсы жұмыс істейді, бірақ тығыздау шараларына және қауіпті аймақтарға бекітуге көңіл бөлу қажет. Көлемді заттар мен ұнтақтарда GWR радар немесе ультрадыбыстық сенсорларға тамаша балама болып табылады, бірақ кабель тозуына және өнім қозғалысынан туындаған төбеге жүктемеге көңіл бөлу қажет. Денгейді бақылау үшін микротолқынды немесе радарлық техниканың салыстырмалы жоғары бағасы және күрделі орнатуы – басты кемшілік ретінде қарастырылады. Алайда, баға соңғы жылдары айтарлықтай төмендеді, ұзақ қашықтықтағы ультрадыбыстық құрылғылармен салыстырылады, сонымен қатар екі техниканың орнатуы да пайдалануды жеңілдетеді.

Магниттік-стриктивті

Магниттік-жоюшы деңгей сенсорлары плавторлы типтегі сенсорларға ұқсас, өйткені плавтордың ішіндегі мөрленген тұрақты магнит, магниттік-жоюшы сымы мөрленген тіреудің бойымен жоғары және төмен қозғалады. Сақтау және тасымалдау контейнерлеріндегі әртүрлі сұйықтықтардың деңгейін жоғары дәлдікпен, үздіксіз өлшеуге арналған бұл сенсорлар, сұйықтықтың меншікті салмағына сәйкес плавтордың дұрыс таңдалуын қажет етеді. Магниттік-жоюшы деңгей сенсорлары үшін плавтор және тіреу материалдарын таңдауда, магниттік және механикалық плавторлы деңгей сенсорларына қатысты сипатталған нұсқаулар қолданылады. Магниттік-жоюшы деңгей және орналасу құрылғылары магниттік-жоюшы сымды электр тогымен зарядтайды, ал өріс плавтордың магнит өрісімен қиылысқанда механикалық бұрылыс немесе импульс туындайды. Бұл импульс, ультрадыбыс немесе радар сияқты, дыбыс жылдамдығымен сым бойымен кері қарай жүреді, ал қашықтық импульстің жіберілуінен кері импульс тіркелгенге дейінгі уақыт бойынша өлшенеді. Уақыттың өтуі сенсордың кері импульсті анықтаған жерінен қашықтыққа сәйкес келеді. Магниттік-жоюшы техниканың қамтамасыз ететін дәлдігінің арқасында, ол "тапсыру құқығы" саласында жиі қолданылады. Оны коммерциялық мәмілелерді жүргізу үшін салмақтар мен өлшемдер агенттігі рұқсат етуі мүмкін. Бұл сенсорлар магниттік индикаторлармен де жиі қолданылады. Бұл жағдайда магнит, индикаторлық шыны немесе түтік ішінде қозғалатын плавторға орнатылады. Магнит, индикаторға сырттан орнатылған сенсормен әрекеттеседі. Қазандықтар және басқа да жоғары температуралық немесе қысымды қолданыстар осы көрсеткіштерді пайдаланады.

Қатты тізбек

Резистивті тізбекті деңгей сенсорлары магниттік қалқымалы деңгей сенсорларына ұқсас, себебі қалқыманың ішінде орналасқан тұрақты магнит, тығыз орналасқан қосқыштар мен резисторлар орнатылған тіреудің бойымен жоғары-төмен қозғалады. Қосқыштар жабылғанда кедергілер қосылып, сұйықтық деңгейіне пропорционалды ток немесе кернеу сигналдарына айналады. Қалқыма мен тіреу материалдарын таңдау химиялық үйлесімділік, сондай-ақ меншікті салмақ және жүзуге әсер ететін басқа факторлар бойынша сұйықтыққа байланысты болады. Бұл сенсорлар теңіз, химиялық өңдеу, фармацевтика, тамақ өңдеу, қалдықтарды өңдеу және басқа да қолдануларда сұйықтық деңгейін өлшеу үшін жақсы жұмыс істейді. Егер екі қалқыма дұрыс таңдалса, резистивті тізбекті деңгей сенсорларын екі араласпайтын сұйықтықтар арасындағы интерфейстің болуын анықтау үшін де қолдануға болады, егер олардың меншікті салмағы 0,6-дан жоғары болса және 0,1 бірлікке ғана ерекшеленсе.

Магниттік резистентті

Магниттік кедеріспен жұмыс істейтін жүзу деңгейі сенсорлары жүзу деңгейі сенсорларына ұқсас, алайда тұрақты магнит жұбы жүзу қолшағының тірегінің ішінде мөрленген. Жүзу қозғалғанда, қозғалысы мен орналасуы магнит өрісінің бұрыштық позициясы ретінде беріледі. Бұл анықтау жүйесі 0,02° дейінгі қозғалысқа дейін жоғары дәлдікке ие. Өріс компасының орналасуы жүзудің физикалық орнын анықтайды. Жүзу және сабақтың материалдарын таңдау сұйықтықтың химиялық үйлесімділігімен қатар, меншікті салмағы және жүзуге әсер ететін басқа факторларға байланысты. Электрондық бақылау жүйесі сұйықтықпен тікелей жанаспайды және қауіпсіз немесе жарылысқа төзімді деп есептеледі. Бұл сенсорлар теңіз, көлік, авиация, химиялық өңдеу, фармацевтика, тағам өңдеу, қалдықтарды өңдеу және басқа да салаларда сұйық деңгейін өлшеу үшін тиімді жұмыс істейді. Микропроцессордың болуы және төмен қуат тұтынуының арқасында басқа есептеу құрылғыларымен сериялық байланыс орнату мүмкіндігі бар, бұл сенсор сигналын калибрлеу және сүзу үшін жақсы тәсіл болып табылады.

Гидростатикалық қысым

Гидростатикалық қысым деңгейін өлшегіштер – тереңдегі резервуарлардағы немесе су сақтағыштардағы коррозияға ұшырайтын сұйықтықтардың деңгейін өлшеуге арналған, суға батыратын немесе сырттан орнатылатын қысым датчиктері. Әдетте, сұйықтық деңгейі сұйықтық орналасқан ыдыстың (резервуар немесе сақтағыш) түбіндегі қысым арқылы анықталады; сұйықтықтың тығыздығына/салмағына түзету енгізілген түбіндегі қысым сұйықтықтың тереңдігін көрсетеді. Бұл техника болат өндірісінің үздіксіз құю процесінде балқытылған болат деңгейін реттеу үшін қолданылады. Сумен салқындатылатын қалыптың бір жағына кобальт-60 немесе цезий-137 сияқты сәулелену көзі, ал екінші жағына сцинтилляциялық санауыш сияқты сезімтал детектор орналастырылған. Қалыптағы балқытылған болат деңгейі көтерілгенде, сенсормен анықталатын гамма сәулеленуінің мөлшері азаяды. Бұл техника балқыған металдың жоғары температурасының салдарынан тікелей байланыс өлшеулерді және тіпті көптеген қашықтықтан өлшеулерді жүргізуді қиындататын жағдайларда қолданылады. Нуклеондық деңгей сенсорлары минералдарды ұсақтау тізбектерінде жиі қолданылады, онда гамма сәулеленуін анықтаудың артуы кенмен толтырылғанға қарағанда бос кеңістіктердің пайда болуын көрсетеді.