Особенности, виды и принцип работы поплавковых уровнемеров

Самыми простыми и доступными уровнемерами для жидких сред считаются поплавковые уровнемеры. Они определяют уровень жидкости положением чувствительного элемента, входящего в состав конструкции.

Устройство поплавковых уровнемеров и принцип работы

Поплавковые уровнемеры сконструированы следующим образом: часть устройства погружена в жидкость, другая половина находится над ее поверхностью:

• Находящийся в воде элемент называется поплавком – это пустотелый предмет, на который, в соответствие с законом Архимеда, действует выталкивающая сила.
• Часть поплавкового уровнемера, не находящаяся в воде, является обрабатывающим сигнал устройством. Оно отслеживает вертикальные перемещения поплавка и передает показания движения на ряд различных устройств. Таким образом осуществляется непрерывное измерение уровня или сигнализация по контрольным точкам при достижении заданного объема жидкости в резервуаре.

По конструктивным отличиям можно выделить поплавковые уровнемеры узкого диапазона и поплавковые уровнемеры широкого диапазона.

Первые (рис.1, а), как правило, представляют собой устройства, состоящие из шарообразного поплавка, через штангу и сальниковое уплотнение соединенного с преобразователем угловых перемещений (П) в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Поплавок обычно имеет диаметр 80 — 100 мм, выполнен из нержавеющей стали и плавает на поверхности жидкости.

Рис.1. Поплавковые уровнемеры: а) – узкого диапазона, б) – широкого диапазона: 1 – поплавок, 2 – гибкий трос, 3 – шкала, 4 – противовес.

В поплавковых уровнемерах широкого диапазона (рис. 1, б) поплавок через гибкий трос связан с противовесом и отсчетным устройством, указывающим значения уровня жидкости в резервуаре.

При расчетах поплавковых уровнемеров подбирают такие конструктивные параметры поплавка, которые обеспечивают состояние равновесия системы «поплавок — противовес» только при определенной глубине погружения поплавка.

Виды поплавковых уровнемеров:

Поплавковые магнитные уровнемеры. В устройстве поплавок взаимодействует с магнитом. Любое отклонение поплавка от магнита регистрируется как изменение уровня.

РОС-501 датчики-реле уровня поплавковые	СУГ-М сигнализаторы уровня жидкости поплавковые	ПМП-052 датчики уровня поплавковые магнитные

Поплавковые магнитострикционные уровнемеры. Поплавок с постоянным магнитом внутри перемещается вдоль направляющего стержня, в котором натянута проволока из магнитострикционного материала (волновод). В волновод подаются токовые импульсы. В месте расположения магнита (поплавка) при взаимодействии магнитного поля с током, возникают импульсы продольной деформации, которые регистрируются пьезоэлементом вверху стержня. В данном случае регистрируется время прохождения импульса – оно прямо пропорционально расстоянию до поверхности.

Поплавковые механические уровнемеры. Поплавок управляет механическим переключателем (открывает, либо закрывает контакт) путем непосредственного контакта. Работают по принципу сообщающихся сосудов.

ДРУ-1ПМ датчик-реле уровня жидкости поплавковый	РО-1 датчики-реле уровня жидкости	РУ-1 датчики-реле уровня жидкости

Преимущества поплавковых уровнемеров

Главные преимущества поплавковых уровнемеров – это их точность, высокая степень повторяемости и простота конструкции. Также поплавковые уровнемеры отличаются низкой ценой и независимостью показателей измерений от химического состояния жидкости. Однако точности поплавкового уровнемера зависит от колебаний в жидкости, поэтому любые вибрации, например, плескания в емкости, могут исказить показания поплавка.

Поплавки датчиков уровня, уровнемеров “ПМП”

Поплавки датчиков уровня, уровнемеров “ПМП” Поплавки датчиков уровня, уровнемеров “ПМП”

Поплавки предназначены для комплектования датчиков уровня, уровнемеров “ПМП”.
Основные типы поплавков приведены в табл. 1.

Выбор материала поплавка (рис. 2А, 2Б, 2В, 2Г, 3А) определяется характеристиками измеряемой среды: плотностью, давлением, температурой, химической активностью.

Уровнемеры ПМП-128, ПМП-201 могут комплектоваться поплавком уровня раздела сред (рис. 3Б). Уров- немер ПМП-201 может комплектоваться поплавком плотномера (рис. 3В). Уровнемеры ПМП-128, ПМП-138 комплектуются поплавками, отмеченными в примечании к таблице 1.

Примечания:
1) Приведенные в таблице значения являются справочными и могут корректироваться в зависимости от изменения параметров выпускаемых поплавков.
2) Применяются только с преобразователем ПМП-128.
3) Применяются только с преобразователем ПМП-138.

Рис. 2.
А — Поплавками из вспененного эбонита (рис. 2А) комплектуются ПМП по умолчанию в заказе. Применяются для светлых нефтепродуктов, пропана-бутана, воды и других сред.
Ограничения к применению: — температура среды не выше 100 °С; — материал не стоек к аммиаку, кислотам, щелочам. Рассчитаны на давление до 2,5 МПа. По заказу изготавливаются на давление до 4/5,5/6,3/7МПа.
Для уменьшения адгезионных свойств поверхности поплавка (налипания вязких сред, примерзания к направляющей), как вариант исполнения, могут покрываться фторэпоксидной компози- цией ФЛК-2 (рис. 2Б). Поплавки покры- тые ФЛК-2 могут применяться в пищевых средах.

В — Поплавки из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т применяются для агрессивных, пищевых и других сред. Давление измеряемой среды не должно превышать 1,6 МПа. Обозначаются “. — НЖ”

Г — Поплавок из PVDF характеризуется высокой химической стойкостью в различных средах (кислотах, щелочах и др.). Применяется в средах с давлением до 0,4 МПа. Обозначается “. — PVDF”.

Рис. 3.
А — Поплавки из сферопластика ЭДС-7АП обозначается “. -ЭДС-7АП”. По заказу изготавливаются на давление до 10 МПа.
Б — Поплавки для измерения уровня раздела сред изготавливаются путем закрепления дополнительного груза к поплавкам из вспененного эбонита или стали 12Х18Н10Т. Обозначаются “. -РС”.
В — “Поплавок плотнометра” — состоит из двух поплавков: один (D48x50х21- ФЛК-2) находится на поверхности жид- кости, второй (12Х18Н10Т) погружен в жидкость, глубина его погружения пропорциональна плотности жидкости.

Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости

Для автоматизации многих производственных процессов необходимо контролировать уровень воды в резервуаре, измерение проводится при помощи специального датчика, подающего сигнал, когда технологическая среда достигнет определенного уровня. Без уровнемеров невозможно обойтись и в быту, яркий пример этому – запорная арматура бачка унитаза или автоматика для отключения насоса скважины. Давайте рассмотрим различные виды датчиков уровня, их конструкцию и принцип работы. Эта информация будет полезной при выборе устройства под определенную задачу или изготовлении датчика своими руками.

Различные виды датчиков уровня

Конструкция и принцип действия

Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:

• Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
• Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
• Методом измерения (контактный или бесконтактный).

Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело — измерять высоту питьевой воды в баке, другое — проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.

Виды датчиков уровня

В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:

• поплавочного типа;
• использующие ультразвуковые волны;
• устройства с емкостным принципом определения уровня;
• электродные;
• радарного типа;
• работающие по гидростатическому принципу.

Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.

Поплавковый

Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:

• Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
• Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.

Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.

Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.

Ультразвуковой

Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.

Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

Работает система следующим образом:

• излучается ультразвуковой импульс;
• принимается отраженный сигнал;
• анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).

Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.

Электродный

Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Измерение уровня жидкости кондуктометрическими датчиками

В приведенном примере задействован трехуровневый сигнализатор, в котором два электрода контролируют заполнение емкости, а третий является аварийным, для включения режима интенсивной откачки.

Емкостной

При помощи этих сигнализаторов можно определять максимальное заполнение емкости, причем, в качестве технологической среды могут выступать как жидкость, так и сыпучие вещества смешанного состава (см. рис. 5).

Рис. 5. Емкостной датчик уровня

Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.

Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.

Радарный

Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.

Измерение уровня радарным датчиком

Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник ловит отраженный сигнал и по времени его задержки определяет наполняемость емкости. На измеряющий датчик не влияет давление, температура или характер технологической среды. Запыленность также не отражается на показаниях, чего не скажешь о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов данного типа, их погрешность составляет не более одного миллиметра.

Гидростатический

Эти сигнализаторы могут измерять как предельное, так и текущее заполнение резервуаров. Их принцип действия продемонстрирован на рисунке 7.

Рисунок 7. Измерение заполнения гиростатическим датчиком

Устройство построено по принципу измерения уровня давления, произведенного столбом жидкости. Приемлемая точность и небольшая стоимость сделали данный вид довольно популярным.

В рамках статьи мы не можем осмотреть все типы сигнализаторов, например, ротационно-флажковых, для определения сыпучих веществ (идет сигнал, когда лепесток вентилятора застрянет в сыпучей среде, предварительно вырыв приямок). Так же нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных измерителей, тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.

Как выбрать?

Выбор датчика уровня воды в резервуаре зависит от многих факторов, основные из них:

• Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
• Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
• Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
• Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
• Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
• Коммутационные возможности устройства.

Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.

Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками

Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.

Схема управления водозабоным насосом

Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня — на замыкание, максимального — на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:

• По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
• Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
• По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.