Задачи измерения уровня жидких и сухих веществ в современных системах автоматизации технологических процессов сегодня обыденны и привычны, но, тем не менее, всегда актуальны. При решении задач измерения уровня специалистам необходимо ответить на ряд вопросов:
- может ли датчик уровня встраиваться в резервуар?
- допускается ли прямой контакт датчика уровня жидкости с контролируемой средой?у
- необходим непрерывный контроль уровня или достаточно измерять наличие продукта в пороговых точках?
- возможно, ли будет регулярное техническое обслуживание?
- совместим ли физический принцип работы датчика с решаемой задачей измерения?
- какие ограничения накладывает контролируемый процесс?
Ответы на эти и другие вопросы, а так же данные приведенные в Таблице 1 и Таблице 2 позволят не только сократить список «кандидатов на применение», но и обеспечить надежное и точное измерение уровня.
Несмотря на то, что за последнее десятилетие арсенал средств измерения уровня пополнился новыми разработками, по данным различных источников лидерами применения в мире остаются поплавковые датчики уровня жидкости и емкостные датчики уровня. Суммарная доля, которых среди всего разнообразия датчиков уровня составляет 40%. При этом 25% от всех типов датчиков уровня приходится на поплавковые датчики и 15% на емкостные. Что, и не удивительно: 80% задач по измерению уровня приходится на измерение уровня жидкости, а поплавковые датчики здесь оптимальны по причине простоты конструкции и экономической целесообразности. Обратившись к Таблице 2 легко заметить, что по широте возможных применений с емкостными датчиками может конкурировать разве что, ультразвуковые датчики. Однако ограничения со стороны предельных температур и стоимости выводит емкостные датчики в несомненные лидеры.
НПК «ТЕКО» на протяжении более 25 лет специализируется на разработке и производстве именно поплавковых и емкостных датчиков уровня.
Работа емкостных датчиков уровня
основана на различии диэлектрической проницаемости материала измерения и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора – электрод, помещенный в корпусе датчика. Электрод и корпус образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора имеет зависимость от уровня измеряемого материала, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости материала. Изменение этой емкости описывает известная формула:
С=КА/D, (1)
- где
- А – площадь электрода;
- D – расстояние между электродами;
- К – диэлектрическая проницаемость материала между электродами.
Как следует из (1) при неизменной геометрии электродов датчика уровня, изменение диэлектрической проницаемости вызывает линейное изменение емкости. Данный факт позволяет не только использовать емкостные датчики уровня для решения задач непрерывного измерения уровня, но и правильно выбирать схему установки емкостных датчиков для обнаружения различных материалов (например, как датчик уровня воды). Данные Таблицы 3 призваны облегчить вам решение таких задач.
Способность емкостных датчиков уровня обнаруживать вещества, диэлектрическая проницаемость которых отличается, от диэлектрической проницаемости воздуха, определяет их широкий спектр применения в различных отраслях народного хозяйства (например, как датчик уровня воды), (Таблица 4).
Компания «ТЕКО» выпускает емкостные датчики уровня, как для задач порогового измерения, так и для задач непрерывного (дискретного) измерения уровня.
По требованию заказчика, емкостные датчики уровня могут быть изготовлены с учетом монотребований к условиям эксплуатации:
- высокотемпературного исполнения -15 … +105oС;
- низкотемпературного исполнения -45 … +65oС;
- помехозащенного исполнения;
- тропического исполнения;
- вибростойкого исполнения.
При разработке мы можем учитывать конкретные условия эксплуатации или их комбинации.
Таблица 1. Ориентиры для выбора типа датчика уровня
| Тип измерения | Физический принцип измерения | Предельная температура измеряемой среды | Возможность бесконтактного измерения | Погрешность | Ограничения при применении |
| Барботерный | Через барбортерную трубку в резервуар подается воздух или инертный газ. Сила давления подачи газа преобразуется в уровень. | — | нет | 1-2% | Вводит в измеряемую жидкость инородное вещество. Трудоемко в обслуживании. |
| Емкостной | Изменение диэлектрической проницаемости между электродами. | 300oС | нет | 1-2% | Невозможно обнаружение пены. |
| Кондуктометриический | Преобразование изменения электрического сопротивления между электродом датчика и стенкой резервуара или электродами датчика. | 1000oС | нет | 2-3 мм | Может использоваться только на электропроводных материалах. |
| Мембранный | Измерение гидростатического давления на дне резервуара. | 180oС | нет | 0,5% | Применение только при неизменном давлении внутри резервуара. |
| Дифференциального давления | Измерение разницы давления в нижней и верхней части резервуара выше уровня жидкости. | 650oС | нет | 0,1% | Ограничения при измерении уровня суспензий и шламов. |
| Дисплейсерный | Используется выталкивающая сила, действующая на поплавок или буек. С поплавком или буйком жестко связан магнит. | 450oС | нет | 0,5% | Не рекомендуется для измерения уровня отстоя, жидкостей содержащих шлам и твердые взвеси. |
| Поплавковый | Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по трубе скольжения, в которой находятся герметизированные магнитоуправляемые контакты. | 260oС | нет | 1% | Фактическое положение уровня, различное для веществ с различной плотностью. Можно использовать только в очищенных жидкостях. |
| Лазерный | Измерение временного интервала между излученным и отраженным световым импульсом. | — | да | 0,05% | Ограниченно для мутных жидкостей, сыпучих материалов с различием отражающих свойств частиц. Неприемлемо при наличии пара и в прозрачных резервуарах. |
| Магнитный уровнемер | Поплавок с магнитом двигается вверх и вниз по внутренней части немагнитной трубки, магнитные элементы прикрепленные снаружи, в стеклянной трубке переворачиваются цветной гранью когда магнит достигает их уровня. | 350oС | нет | 5мм | Не рекомендуется для измерения уровня отстоя, жидкостей содержащих шлам и твердые взвеси. |
| Микроволновый | Высокочастотные микроволновые импульсы направляются вдоль по стальному тросу или стержню. Достигнув поверхности продукта, микроволновые импульсы отражаются от нее. Исходя из времени прохождения импульса, рассчитывается значение расстояния. |
200oС | да | 10мм | Толстый слой пены. |
| Оптический | Изменение коэффициента преломления ИК-излучения на границе перехода двух сред. Одна из сред — линза самого датчика, а вторая — непосредственно окружающая среда. | 120oС | да | 5мм | Ограничено применением в чистых жидкостях, при этом требуется достаточное свободное пространство в месте установки датчика. |
| Радарный | В результате взаимодействия излученного и отраженного сигналов возникает сигнал разностной частоты, пропорциональной расстоянию от антенны излучателя до поверхности продукта. | 230oС | да | 2-3 мм | Брызги, кипение, волнение, пенообразование и т.п. |
| Радиоизотопный | Действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества. | — | да | 5мм | Требуется разрешение на применение |
| Байпасный | Уровень в трубе установленной сбоку резервуара в виде сообщающегося сосуда соответствует уровню в резервуаре. | 450oС | нет | 10мм | Опасно при применении на резервуарах работающих под давлением. |
| Ротационный | При контакте лопасти с материалом, происходит останов двигателя. | 260oС | нет | 20-30 мм | Неприменим для жидкостей, вязких и налипающих материалов, крупных фракций, пылевидных веществ. |
| Лотовый | Лот, закрепленный на конце измерительного троса/ленты опускается при помощи электромотора в емкость. Как только груз соприкасается с материалом, формируется сигнал. | 250oС | нет | 1-100 мм | Низкая надежность работы в условиях высокой запыленности, а также при работе с мелкодисперсными материалами. |
| Вибрационный | Лопасти сигнализатора уровня, испытывая пьезоэлектрическое воздействие, вибрируют на механической резонансной частоте. Затухание колебаний (изменение амплитуды), возникающее вследствие покрытия лопастей датчика материалом, формирует сигнал. | 150oС | нет | 10-15 мм | Налипание материала на лопасти может привести к остановке процесса измерения. |
| Тепловой | Сигнализатора состоит из двух температурных датчиков. Один из датчиков измеряет температуру среды. Второй имеет более высокую температуру за счет принудительного нагревания. При появлении протока или увеличении уровня продукта температура нагретого датчика уменьшается. При достижении разности температур заданного порога срабатывает реле. | 450oС | нет | 10-15 мм | Наличие пены и других образований с теплопередачей отличной от среды измерения приводят к погрешностям. |
| Ультразвуковой | Основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. | 150oС | да | 1% | Не допускается пыль, пена, роса, пар, неравномерная поверхность, «пушистые» материалы. |
| Магнитострикционный | Поплавок с постоянным магнитом перемещается вместе с уровнем жидкости по трубе скольжения, в которой находится волновод — натянутая проволока из магнитострикционного материала. | 450oС | нет | ≤ 1мм | Фактическое положение уровня, различное для веществ с различной плотностью. Можно использовать только в очищенных жидкостях. |
Таблица 2. Ориентиры для выбора типа датчика уровня
Таблица 3 Диэлектрическая проницаемость различных материалов
| Сухие вещества | |||
| Асбест | 4,8 | Песок | 3,4 |
| Асфальт | 2,7 | Полипропилен | 1,5 |
| Бакелит | 5,0 | Полиэтилен | 4,5 |
| Бумага | 2,0 | Резина | 3,0 |
| Карбонат кальция | 9,1 | Сахар | 3,0 |
| Кварц | 4,3 | Сера | 3,5 |
| Мочевина | 3,5 | Стекло | 3,7 |
| Нафталин | 2,5 | Сульфат цинка | 8,2 |
| Нейлон | 45,0 | Тефлон | 2,0 |
| Окись железа | 14,2 | Фарфор | 5,7 |
| Окись свинца | 25,9 | Фенол | 4,3 |
| Окись магния | 9,7 | Целлюлоза | 3,9 |
| Жидкости | |||
| Анилин | 7,8 | Минеральное масло | 2,1 |
| Аммиак | 22,4 | Муравьиная кислота | 58,5 |
| Ацетон | 21,4 | Нафталин | 2,5 |
| Бензин | 2,3 | Октан | 2,0 |
| Бензол | 13,0 | Пентан | 1,8 |
| Бром | 3,1 | Пиридин | 12,5 |
| Бутан | 1,4 | Пропан | 1,6 |
| Виниловый эфир | 3,9 | Сера | 3,4 |
| Вода | 80,0 | Стирол | 2,4 |
| Водяной пар | 48,0 | Тетрахлорметан | 2,2 |
| Гексан | 1,9 | Толуол | 2,4 |
| Гептан | 1,9 | Уксусная кислота | 4,1 |
| Гликоль | 41,2 | Уретан | 3,2 |
| Даутерм | 3,3 | Фенол | 9,9 |
| Диметилгептан | 1,9 | Фосген | 4,7 |
| Дихлорфторметан | 2,4 | Хлор | 2,0 |
| Йод | 118,0 | Хлористый водород | 4,6 |
| Касторовое масло | 2,2 | Хлористый этилен | 10,5 |
| Керосин | 1,8 | Хлороформ | 5,5 |
| Кумол | 2,4 | Циклогексан | 2,0 |
| Лед | 88,0 | Этанол | 24,3 |
| Метанол | 33,6 | Этилацетат | 6,4 |
| Метиловый спирт | 33,1 | Этилбензол | 2,5 |
| Метиловый эфир | 5,0 | Этиловый эфир | 4,3 |
Таблица 4. Применение емкостных датчиков уровня
| Отрасли промышленности | Обнаруживаемые материалы |
| Растениеводство | Зерно, Семена, Удобрения, ГСМ |
| Животноводство | Силос, Комбикорм, Жидкости, Зерно |
| Мукомольно-крупяная | Шарики, Гранулы, Хлопья, Жиры, Патока, Зерна, Мука |
| Пищевая продукция | Сахар, Соль, Мука, Сухое молоко, Различные жидкости |
| Производство кормов для животных | Шарики, Сыромятные плети, Зерна |
| Химическая/Нефтехимическая | Поташ, Топливо, Масло, Мазут, Жидкости, Растворы, Порошки |
| Производство резиновых и пластмассовых изделий | Пластмассовые шарики, Смола, Продукты повторного размола, Порошки, Резина |
| Литейное производство | Кварцевый песок, Песок для опок, Формовочные смеси |
| Пивоваренное производство | Солод, Настои ячменя |
| Фармацевтика | Различные порошки и жидкости |
| Производство электроэнергии и тепла | Уголь, Древесина, Опилки, Мазут, Кокс |
| Производство воды | Известняк, Гидраты извести, датчик уровня воды |
| Производство топливных гранул | Зола, Опилки, Древесина |
| Обработка древесины | Деревянная Стружка, Опилки |
| Добыча полезных ископаемых | Различные Полезные ископаемые, Глина, Металлы, Камень, Стекло, Бентонит |
