Датчик уровня жидкости: устройство, принцип действия, разновидности

Технологические процессы в современном мире требуют частых замеров объема топливных материалов, заполнения водой и другими жидкими веществами. Для осуществления контроля за наполнением любой емкости жидкостью в автоматическом режиме применяется датчик уровня жидкости. В данной статье мы рассмотрим основные виды и принцип разделения уровнемеров.

Устройство и принцип действия

На сегодняшний день существует огромное количество датчиков уровня жидкости, которые отличаются как конструкцией, так и способом выполнения замера. В виду чего рассмотрим устройство на примере наиболее простой поплавковой модели уровнемера. Конструктивно поплавковый датчик уровня жидкости состоит из следующих компонентов:

Устройство датчика уровня жидкости
Рис. 1. Устройство датчика уровня жидкости
  • поплавок 1 – предназначен для взаимодействия с поверхностью жидкости;
  • сильфон 2 – представляет собой чувствительный гофрированный элемент, способный сохранять свои свойства при многократных механических деформациях;
  • фланец 3 – используется для соединения с монтажной поверхностью, позволяет увеличить плотность крепления
  • микропереключатель 4 – срабатывает от перемещения поплавка в геометрической плоскости, для предотвращения взаимодействия с влагой помещается в герметичный корпус.
  • прокладка 5 – используется для герметизации отверстия, предотвращает протекание жидкости из емкости.

Принцип действия такого датчика основывается на архимедовой силе любой жидкости.

Принцип действия датчика уровня жидкости
Рис. 2. Принцип действия датчика уровня жидкости

При помещении датчика в емкость с жидкостью происходит взаимодействие поплавка с поверхностью. За счет архимедовой силы поплавок выталкивается наружу и находится в том же положении, что и уровень.

При среднем положении жидкости 1 поплавок останется в нейтральном положении, сигнал от переключателя не поступает на пульт управления или панель сигнализации. В случае наполнения резервуара до позиции 2 поплавок поднимется выше и переведет микропереключатель в соответствующее положение. Если жидкость в резервуаре опустится ниже номинального уровня, поплавок переместится в нижнюю позицию 3 и переведет контакты микропереключателя.  Каждый раз на выходе датчика будет появляться соответствующий сигнал о степени наполнения, однако принцип действия будет отличаться в зависимости от типа устройства.

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.
Емкостной датчик
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.
Гидростатический датчик
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.
Рефлексный микроволновой датчик уровня жидкости
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.
Радарный микроволновой датчик
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.
Радиоизотопный датчик
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.

Разновидности по функционалу

Помимо отличий в отношении принципа взаимодействия с измеряемой средой и принципа действия датчики уровня жидкости могут отличаться и по способу передачи сигнала. Все устройства касательно принципа сигнализации об изменении положения уровня подразделяют на уровнемеры и сигнализаторы.

Уровнемеры.

Под уровнемерами подразумеваются такие приборы, которые осуществляют постоянный контроль за текущим положением верхней кромки измеряемой среды. В виду чего они постоянно передают сигнал о проведенных измерениях или выдают данные по шкале. В зависимости от способа отображения информации они бывают цифровыми и аналоговыми.

Сигнализаторы.

Сигнализаторы, в отличии от уровнемеров, не производят постоянный контроль уровня жидкости, а срабатывают исключительно при достижении определенного порогового значения. В таких устройствах жидкость, опускаясь или поднимаясь, перемещает чувствительный элемент. Который в определенной позиции производит срабатывание реле, переключателя или микроконтроллера.

Какой выбрать?

При выборе конкретной модели датчика уровня следует обратить внимание на следующие характеристики:

  • Тип переключателя – различают твердотельные и электромеханические. Первый тип не имеет подвижных элементов и не подвержен изнашиванию. Второй, наоборот, оснащается подвижными контактами, чувствительными элементами и т.д.
  • Логика работы – различают датчики уровня с нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами. Тот или иной тип выбирается в зависимости от схемы включения и поставленных задач контроля уровня.
  • Количество полюсов и позиций – встречаются как однополюсные и двухполюсные датчики уровня, так и однопозиционные или двухпозиционные.
Однополюсные, двухполюсные, однопозиционные, двухпозиционные
Рис. 8. Однополюсные, двухполюсные, однопозиционные, двухпозиционные
  • Диапазон измерений – определяет допустимые пределы уровня, которые может зафиксировать датчик.

Использованная литература

  • Хансуваров К. И., Цейтлин В. Г. «Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара» 1990
  • Дж. Фрайден «Современные датчики. Справочник» 2005
  • В. А. Ацюковский «Емкостные дифференциальные датчики перемещения» 1960
  • Г. Виглеб «Датчики. Устройство и применение.» 1989
  • В. И. Винокуров, С. И. Каплин, И. Г. Петелин. «Электрорадиоизмерения» 1986

Leave a Comment

Your email address will not be published.