Введение
Датчик для обнаружения уровня текучих веществ. Датчики уровня обнаруживают уровень жидкостей и других флюидов, а также взвешенных твердых веществ, включая шламы, гранулированные материалы и порошки, обладающие верхней свободной поверхностью. Текучие вещества в своих емкостях (или других физических границах) выравниваются по горизонтали под действием силы тяжести, в то время как большинство сыпучих твердых веществ образуют конус насыпи. Измеряемое вещество может находиться внутри емкости или в естественной форме (например, в реке или озере). Измерение уровня может быть непрерывным или дискретным (точечным). Непрерывные датчики уровня измеряют уровень в заданном диапазоне и определяют точное количество вещества в определенной точке, в то время как дискретные датчики уровня лишь указывают, находится ли вещество выше или ниже точки измерения. Как правило, последние используются для обнаружения чрезмерно высоких или низких уровней. Существует множество физических и прикладных факторов, влияющих на выбор оптимального метода контроля уровня для промышленных и коммерческих процессов. Критерии выбора включают физические характеристики: фазу (жидкость, твердое вещество или суспензия), температуру, давление или вакуум, химический состав, диэлектрическую проницаемость среды, плотность (удельный вес) среды, перемешивание, акустический или электрический шум, вибрацию, механические удары, размер и форму резервуара или бункера. Также важны ограничения применения: стоимость, точность, внешний вид, скорость отклика, простота калибровки или программирования, физические размеры и способ монтажа прибора, мониторинг или управление непрерывными или дискретными (точечными) уровнями. В целом, датчики уровня являются одними из важнейших датчиков и играют значительную роль в широком спектре потребительских и промышленных приложений. Как и другие типы датчиков, датчики уровня доступны или могут быть разработаны на основе различных принципов действия. Важно выбрать подходящий тип датчика, соответствующий требованиям конкретного применения.
Level sensors detect the level of liquids and other fluids and fluidized solids, including slurries, granular materials, and powders that exhibit an upper free surface. Substances that flow become essentially horizontal in their containers (or other physical boundaries) because of gravity whereas most bulk solids pile at an angle of repose to a peak. The substance to be measured can be inside a container or can be in its natural form (e. g., a river or a lake). The level measurement can be either continuous or point values. Continuous level sensors measure level within a specified range and determine the exact amount of substance in a certain place, while point level sensors only indicate whether the substance is above or below the sensing point. Generally the latter detect levels that are excessively high or low. There are many physical and application variables that affect the selection of the optimal level monitoring method for industrial and commercial processes. The selection criteria include the physical: phase (liquid, solid or slurry), temperature, pressure or vacuum, chemistry, dielectric constant of medium, density (specific gravity) of medium, agitation (action), acoustical or electrical noise, vibration, mechanical shock, tank or bin size and shape. Also important are the application constraints: price, accuracy, appearance, response rate, ease of calibration or programming, physical size and mounting of the instrument, monitoring or control of continuous or discrete (point) levels. In short, level sensors are one of the very important sensors and play very important role in a variety of consumer/ industrial applications. As with other types of sensors, level sensors are available or can be designed using a variety of sensing principles. Selection of an appropriate type of sensor suiting to the application requirement is very important.
Точечное и непрерывное обнаружение твердых веществ
Для точечного определения уровня сыпучих материалов доступны различные типы датчиков. К ним относятся вибрирующие, ротационные лопастные, механические (с диафрагмой), микроволновые (радарные), емкостные, оптические, импульсные ультразвуковые и ультразвуковые датчики уровня.
Вибрационная точка
Они обнаруживают уровни очень мелких порошков (насыпная плотность: 0,02), мелких порошков (насыпная плотность: 0,2) и гранулированных твердых веществ (насыпная плотность: 0,5 или выше). При правильном выборе частоты вибрации и соответствующих настройках чувствительности они также могут определять уровень сильно текучих порошков и электростатических материалов. Однощуповые вибрирующие датчики уровня идеально подходят для измерения уровня сыпучих порошков. Поскольку в контакт с порошком входит только один чувствительный элемент, исключается образование «мостиков» между двумя щупами и минимизируется налипание материала. Вибрация щупа способствует предотвращению налипания материала на чувствительном элементе. На вибрирующие датчики уровня не влияют пыль, накопление статического заряда от диэлектрических порошков, а также изменения проводимости, температуры, давления, влажности или влагосодержания. Датчики вибрации камертонного типа являются еще одной альтернативой. Они, как правило, дешевле, но более склонны к накоплению материала между зубцами.
Ротационное весло
Ротационные датчики уровня с вращающимся лопастью – это очень старый и проверенный метод индикации точечного уровня сыпучих материалов. В основе метода лежит использование редукторного двигателя малой скорости, вращающего лопасть. Когда лопасть останавливается из-за наличия сыпучего материала, двигатель вращается на своем валу под действием собственного крутящего момента до тех пор, пока фланец, установленный на двигателе, не контактирует с механическим выключателем. Лопасть может быть изготовлена из различных материалов, но не допускается накопление на ней липких веществ. Накопление может происходить, если материал становится липким из-за высокой влажности процесса или высокой влажности окружающей среды в бункере. Для материалов с очень низкой плотностью, таких как перлит, бентонит или зола-унос, используются специальные конструкции лопастей и двигатели с низким крутящим моментом. Необходимо предотвратить попадание мелких частиц или пыли в подшипники вала и двигатель путем правильного расположения лопасти в бункере или силосе и использования соответствующих уплотнений.
Тип допуска
Датчик уровня радиочастотного допуска использует стержневой зонд и источник радиочастотного сигнала для измерения изменения допуска. Зонд подключен через экранированный коаксиальный кабель для устранения влияния изменения емкости кабеля относительно земли. При изменении уровня вокруг зонда наблюдается соответствующее изменение диэлектрической проницаемости. Это изменяет допуск данного несовершенного конденсатора, и это изменение измеряется для определения изменения уровня.
Обнаружение жидкости на уровне точек
Типичные системы для определения точечного уровня жидкости включают магнитные и механические поплавки, датчики давления, электропроводящие или электростатические (ёмкостные или индуктивные) датчики, а также измерение времени прохождения сигнала до поверхности жидкости с помощью электромагнитных (например, магнитостриктивных), ультразвуковых, радиолокационных или оптических датчиков.
Магнитный и механический плаватель
Принцип, лежащий в основе магнитных, механических, кабельных и других датчиков уровня, часто включает в себя открытие или закрытие механического переключателя, либо прямым контактом с переключателем, либо магнитным воздействием на геркон. В других случаях, таких как магнитостриктивные датчики, возможен непрерывный мониторинг с использованием принципа поплавка. В датчиках с магнитно-приводимым в действие поплавком переключение происходит, когда постоянный магнит, герметично заключенный внутри поплавка, поднимается или опускается до уровня срабатывания. В датчиках с механически-приводимым в действие поплавком переключение происходит в результате движения поплавка по миниатюрному (микро) переключателю. Для магнитных и механических датчиков уровня химическая совместимость, температура, удельный вес (плотность), плавучесть и вязкость влияют на выбор штанги и поплавка. Например, более крупные поплавки могут использоваться с жидкостями с удельным весом до 0,5, сохраняя при этом плавучесть. Выбор материала поплавка также зависит от изменений удельного веса и вязкости, вызванных температурой – изменений, напрямую влияющих на плавучесть. Датчики с поплавком могут быть сконструированы с защитным экраном, предохраняющим сам поплавок от турбулентности и волнового движения. Датчики уровня с поплавком хорошо работают с широким спектром жидкостей, включая агрессивные. Однако при использовании органических растворителей необходимо убедиться в их химической совместимости с материалами, из которых изготовлен датчик. Датчики с поплавком не следует использовать с жидкостями высокой вязкости (густыми), со шламами или жидкостями, прилипающими к штанге или поплавкам, или с материалами, содержащими загрязнения, такие как металлические стружки; для этих применений лучше подходят другие технологии измерения. Специальное применение датчиков с поплавком – определение границы раздела в системах разделения нефти и воды. Можно использовать два поплавка, размер каждого из которых соответствует удельному весу масла, с одной стороны, и воды, с другой. Другое специальное применение стержневого поплавкового выключателя – установка датчиков температуры или давления для создания многопараметрического датчика. Магнитные поплавковые выключатели популярны благодаря простоте, надежности и низкой стоимости. Вариацией магнитного зондирования является датчик "эффекта Холла", использующий магнитное зондирование показаний механического манометра. В типичном применении датчик "эффекта Холла", чувствительный к магнетизму, крепится к механическому уровнемеру резервуара с намагниченной стрелкой-указателем для определения положения стрелки. Магнитный датчик преобразует положение стрелки в электрический сигнал, обеспечивая удаленный индикацию или сигнализацию. Эта техника часто называется RF из-за радиочастотных сигналов, подаваемых на емкостную цепь. Датчики могут быть разработаны для измерения материалов с диэлектрической проницаемостью от 1,1 (кокс и зола уноса) до 88 (вода) и выше. Шламы и суспензии, такие как обезвоженный осадок и сточные шламы (диэлектрическая проницаемость около 50), а также жидкие химические вещества, такие как негашеная известь (диэлектрическая проницаемость около 90), также могут быть измерены. ), аналогично ультразвуковым датчикам уровня, и доплеровским системам, использующим технику FMCW. Как и ультразвуковые датчики уровня, микроволновые датчики работают на различных частотах, от 1 ГГц до 60 ГГц. Как правило, чем выше частота, тем выше точность и стоимость. Микроволновое измерение может выполняться бесконтактным способом или с волноводом. Первый способ заключается в мониторинге микроволнового сигнала, передаваемого через свободное пространство (включая вакуум) и отраженного обратно, или может быть реализован как техника "радар на проводе", обычно известная как радар с направленной волной или микроволновый радар с направленной волной. При использовании последнего способа производительность обычно улучшается при измерении порошков и сред с низкой диэлектрической проницаемостью, которые плохо отражают электромагнитную энергию, передаваемую через пустоту (как в бесконтактных микроволновых датчиках). Этот метод может использовать специальные волноводы для получения более точных результатов или дополнительной информации, необходимой для применения датчика (например, некоторые датчики могут использовать части резервуара или другое оборудование в качестве волновода или его части). Распространена практика использования удаленных волноводов, когда волновод удален от электронной части (обычно для резервуаров с агрессивными условиями, радиацией или кипением под высоким давлением жидкостей/газов и т.д.). Однако при использовании волноводной техники существуют те же механические ограничения, которые вызывают проблемы для емкостных (RF) методов, упомянутых ранее, из-за наличия зонда в резервуаре. Бесконтактные микроволновые радарные датчики способны видеть сквозь окна из стекла/пластика с низкой электропроводностью ("микроволново-прозрачные" – непроводящие) или стенки резервуара, через которые может проходить микроволновый луч и измерять "микроволново-отражающую" (проводящую) жидкость внутри (аналогично использованию пластиковой миски в микроволновой печи). Они также в значительной степени не подвержены влиянию высоких температур, давления, вакуума или вибрации. Поскольку эти датчики не требуют физического контакта с измеряемым материалом, передатчик/приемник может быть установлен на безопасном расстоянии от процесса, даже с антенным удлинителем в несколько метров для снижения температуры, и при этом реагировать на изменения уровня или расстояния, например, они идеально подходят для измерения расплавленных металлов при температуре выше 1200 °C. Микроволновые передатчики также предлагают то же ключевое преимущество, что и ультразвук: наличие микропроцессора для обработки сигнала, обеспечения многочисленных функций мониторинга, управления, связи, настройки и диагностики, а также независимость от изменения плотности, вязкости и электрических свойств. Кроме того, они решают некоторые ограничения ультразвука в применении: работа при высоком давлении и вакууме, высоких температурах, пыли, слоях температуры и пара. Радары с направленной волной могут успешно измерять в узких замкнутых пространствах, поскольку направляющий элемент обеспечивает правильную передачу к и от измеряемой жидкости. Применения, такие как внутри успокоительных труб или внешних растяжек или клеток, предлагают отличную альтернативу поплавкам или вытеснительным устройствам, поскольку они устраняют любые движущиеся части или соединения и не подвержены влиянию изменений плотности или отложений. Они также отлично подходят для продуктов с очень низкой микроволновой отражательной способностью, таких как сжиженные газы (LNG, LPG, аммиак), которые хранятся при низких температурах/высоком давлении, хотя необходимо проявлять осторожность при герметизации и соблюдении требований к взрывобезопасности. Для сыпучих материалов и порошков радар с направленной волной предлагает отличную альтернативу радарным или ультразвуковым датчикам, но необходимо проявлять осторожность в отношении износа кабеля и нагрузки на крышу от движения продукта. Одним из предполагаемых основных недостатков микроволновых или радарных методов контроля уровня является относительно высокая цена таких датчиков и сложная настройка. Однако цена значительно снизилась за последние несколько лет, чтобы соответствовать цене ультразвука большой дальности, а упрощенная настройка обеих техник также повышает удобство использования.
Магнитостриктивный
Магнитостриктивные датчики уровня аналогичны датчикам поплавкового типа, поскольку постоянный магнит, герметично заключенный внутри поплавка, перемещается вверх и вниз по штоку, в котором также герметично установлен магнитостриктивный провод. Эти датчики идеально подходят для высокоточного непрерывного измерения уровня широкого спектра жидкостей в резервуарах и транспортных контейнерах и требуют правильного выбора поплавка в зависимости от удельного веса жидкости. При выборе материалов для поплавка и штока магнитостриктивных датчиков уровня применяются те же рекомендации, что и для магнитных и механических датчиков уровня поплавкового типа. Магнитостриктивные устройства уровня и положения подают электрический ток на магнитостриктивный провод, и когда магнитное поле пересекает поле поплавка, генерируется механическое скручивание или импульс, который распространяется по проводу со скоростью звука, подобно ультразвуку или радару. Расстояние измеряется по времени прохождения импульса от момента отправки до момента регистрации отраженного импульса. Время прохождения соответствует расстоянию от датчика до точки, где зарегистрирован отраженный импульс. Благодаря высокой точности, обеспечиваемой магнитостриктивной технологией, она широко используется в приложениях, связанных с коммерческим учетом. Она может быть одобрена органами по контролю за измерениями для проведения коммерческих сделок. Также часто применяется в магнитных уровнемерах. В этом исполнении магнит устанавливается в поплавок, который перемещается внутри стеклянной трубки или цилиндра. Магнит взаимодействует с датчиком, установленным снаружи уровнемера. Котельные и другие применения, требующие работы при высоких температурах или давлении, используют это преимущество.
Резистивная цепь
Резистивные датчики уровня цепи аналогичны датчикам уровня с магнитным поплавком тем, что постоянный магнит, герметично заключенный внутри поплавка, перемещается вверх и вниз по стержню, в котором герметично установлены близко расположенные переключатели и резисторы. При замыкании переключателей сопротивление суммируется и преобразуется в сигналы тока или напряжения, пропорциональные уровню жидкости. Выбор материалов для поплавка и стержня зависит от химической совместимости с жидкостью, а также от удельного веса и других факторов, влияющих на плавучесть. Эти датчики хорошо подходят для измерения уровня жидкости в морских, химических, фармацевтических, пищевых производствах, системах очистки сточных вод и других областях применения. При правильном выборе двух поплавков резистивные датчики уровня цепи также могут использоваться для контроля наличия границы раздела между двумя несмешивающимися жидкостями с удельным весом более 0,6, но отличающимся всего на 0,1 единицы.
Магнитнорезистивные
Магниторезистивные датчики уровня, как и поплавковые, отличаются тем, что внутри оси вращения поплавкового рычага герметично заключена пара постоянных магнитов. При перемещении поплавка его движение и положение передаются как угловое положение магнитного поля. Эта система обнаружения отличается высокой точностью, до 0.02° изменения положения. Определение местоположения магнитного поля обеспечивает физическое определение положения поплавка. Выбор материалов для поплавка и штока зависит от химической совместимости с жидкостью, а также от удельного веса и других факторов, влияющих на плавучесть поплавка. Электронная система контроля не контактирует с жидкостью и считается искробезопасной или взрывозащищенной. Эти датчики хорошо подходят для измерения уровня жидкости в морских, транспортных, авиационных, химических, фармацевтических, пищевых, системах очистки сточных вод и других областях применения. Благодаря наличию микропроцессора и низкому энергопотреблению, предусмотрена возможность последовательной связи с другими вычислительными устройствами, что делает этот метод удобным для регулировки калибровки и фильтрации сигнала датчика.
Гидростатическое давление
Гидростатические датчики уровня – это погружные или внешние датчики давления, предназначенные для измерения уровня агрессивных жидкостей в глубоких резервуарах или воды в накопителях. Обычно уровень жидкости определяется давлением на дне емкости (резервуара или накопителя); давление на дне, скорректированное с учетом плотности/удельного веса жидкости, указывает на глубину жидкости. Данный метод используется для регулирования уровня расплавленной стали в процессе непрерывной разливки стали. Водяная охлаждаемая форма оснащена источником излучения, например, кобальта-60 или цезия-137, с одной стороны и чувствительным детектором, таким как сцинтилляционный счетчик, с другой. По мере повышения уровня расплавленной стали в форме, датчик фиксирует уменьшение гамма-излучения. Эта технология позволяет проводить бесконтактные измерения там, где высокая температура расплавленного металла делает контактные методы и даже многие бесконтактные методы невозможными. Нуклеонные датчики уровня часто применяются в системах дробления минералов, где увеличение регистрации гамма-излучения указывает на наличие пустоты, в отличие от заполнения рудой.