Поплавковый уровнемер: подробно простым языком

Поплавковый уровнемер — это прибор для измерения уровня жидкости, сконструированный так, что он плавает наполовину погруженным в жидкость, другая же половина находится над поверхностью жидкости.

Поплавки — это пустотелые предметы, которые всегда входят в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью. Можно использовать вертикальные перемещения поплавка в качестве непосредственного измерения эквивалентного изменения. Перемещения поплавка могут передаваться на ряд различных устройств, с помощью которых осуществляется или непрерывное измерение уровня или же определение уровня с уставками.

Поплавковый уровнемер

Принцип работы поплавкового уровнемера

Плавучесть — это направленная вверх сила или подъемная сила, выталкивающая вверх погруженный в жидкость предмет. На любой предмет, погруженный в жидкость действует подъемная сила, равная по величине весу вытесненной жидкости.

Демонстрационный показ вытеснения, подъемной силы и кажущейся потери веса

На рисунке выше проиллюстрированы взаимоотношения между вытеснением, подъемной силой и весом, а также показано, как у предмета, погруженного в жидкость происходит кажущаяся потеря веса, соответствующая по величине весу вытесненной им жидкости.

На рисунке изображены: предмет цилиндрической формы, подвешенный на весах; большой сосуд, заполненный жидкостью до уровня переточной трубы; пустой сосуд размером поменьше для сбора вылившейся из большого сосуда жидкости, при условии вытеснения жидкости из большого сосуда. Вес предмета показан на шкале весов.

При погружении предмета в жидкость часть жидкости выливается в пустой сосуд. Изменение показания веса на весах указывает на то, что вес предмета уменьшается. Величина этой кажущейся потери веса равна весу жидкости, вытесненной в пустой сосуд.

Если вес предмета больше веса вытесненной им жидкости, предмет будет находится в погруженном состоянии, но потеря его веса будет по-прежнему равняться весу вытесненной им жидкости. Если предмет (при полном погружении) весит меньше, чем объем вытесненной им жидкости, предмет поднимется на поверхность и будет держаться на поверхности жидкости. Дрейфующий предмет будет плавать именно на том уровне, на котором вес вытесненной им жидкости будет точно равняться весу самого предмета.

Плавучесть на примере двух предметов

На рисунке выше проиллюстрировано явление плавучести на примере двух подвешенных предметов, спускающихся в резервуар с жидкостью. Предмет, находящийся слева, плавает: подъемная (выталкивающая) сила жидкости по величине больше веса предмета. Действие предмета, находящегося справа, подобно действию вытеснителя. По мере повышения уровня жидкости он будет погружаться в жидкость, поскольку выталкивающая сила жидкости по величине меньше веса предмета.

Сигналы перемещения поплавкового уровнемера в результате его подъема или снижения в соответствии с изменением уровня жидкости могут переводится в показания уровня с помощью ряда различных устройств, включая откалиброванные стержни; рычажные соединения; ленты (или цепи); шкивы и противовесы; канаты и скользящие стрелки-указатели; подъемные механизмы и механические выключатели.

Стержень со стрелкой-указателем и шкалой монтируются на внешней стороне резервуара. Поплавковый уровнемер, который закрепляется внизу стержня, виден в этом примере через отверстие, закрываемое крышкой, наверху резервуара. Любое изменение положения поплавка показывается смещением стрелки вдоль шкалы.

А также поплавок может быть подсоединен непосредственно к индикаторной стрелке с помощью рычажного соединения. Это механическое соединение выведено с выходом прямо на стрелку на индикаторном устройстве. При поднимании или опускании поплавка внутри резервуара рычажная передача смещает стрелку вдоль шкалы на индикаторе.

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.

Поплавковые уровнемеры и область их применения

Измерение уровня различных жидкостей можно проводить разными способами. Один из способов измерения предполагает использование поплавка, который опускается на поверхность жидкости и частично погружается в нее. Чаще всего жидкости имеют достаточно однородную плотность, поэтому нет никакой разницы, в каком именно месте будет находиться поплавок — глубина его погружения будет одинаковой, значит и расстояние до поплавка тоже будет одинаковым. Попробуем разобраться, что это такое и зачем это нужно.

Какие бывают поплавковые уровнемеры

Поплавок, погруженный в жидкость, подвергается воздействию двух сил: силы тяжести и выталкивающей силы Последняя равна по значению силе тяжести, но противоположна ей по знаку. Силу тяжести вычисляют умножением погруженного в жидкость объема поплавка на плотность самой жидкости. Из этого становится понятно, что если будет изменяться плотность жидкости, то и поплавок будет погружаться на разную глубину, что будет приводить к появлению погрешности в измерении уровня жидкости.

Чтобы свести к минимуму эту погрешность, поплавок делают из максимально легкого материала, что сводит к минимуму влияние неоднородности жидкости. Второй способ уменьшить погрешность — сделать поперечное сечение поплавка как можно большим, чтобы он погружался в жидкость на минимальную глубину, благодаря чему измерения при помощи поплавкового уровнемера становятся максимально точными.

Простейшая схема поплавкового уровнемера

Поплавок соединяется со стрелкой указателя уровня через гибкую механическую связь, поэтому чтобы уровнемер смог правильно измерить уровень, необходимо чтобы поплавок своей массой мог обеспечить достаточное натяжение этой гибкой связи. С другой стороны, поплавок не может быть очень большим, потому что тогда придется увеличивать размеры всего уровнемера, что крайне нежелательно. Исходя из всего этого, для измерения уровня различных типов жидкостей изготавливают уровнемеры с разным размером и формой поплавка, а так же из разных материалов, что повышает точность измерения.

1 – поплавок
2 – трос
3 – шкала
4 – противовес

Типы поплавковых уровнемеров

Чтобы измерять уровень жидкостей, имеющих невысокую температуру и которые находятся под низким давлением, чаще всего применяют уровнемеры типа УДУ. Поплавковые уровнемеры этого типа имеют довольно высокий показатель точности, их погрешность составляет порядка четырех миллиметров, при этом глубина сосуда может достигать двадцати метров. Измерения можно производить при температуре от -50 градусов по Цельсию до +50 градусов по Цельсию, а избыточное давление может составлять от 1,5 до 3 кПа.

Недостатком этого типа поплавковых уровнемеров является то, что их установка не позволяет обеспечить высокую герметизацию резервуара, поэтому чаще всего их применяют для определения уровня нефтепродуктов.

В случаях, когда жидкость находиться под большим давлением, или если ее температура находится вне допустимого диапазона измерения ее уровня при помощи уровнемера типа УДУ, используют поплавковый уровнемер типа ПМП, в конструкции которого используется магнитный преобразователь. Точность измерения таким уровнемером достигает пяти миллиметров, а глубина емкости, в которой происходит измерение, может достигать шести метров.

Где применяются уровнемеры поплавкового типа

Поплавковые уровнемеры нашли самое широкое применение, ведь с их помощью можно точно измерять не только уровень достаточно однородных жидкостей, но и уровень так называемых двухфазных жидкостей. В этом случае применяются уровнемеры, в конструкции которых используются два поплавка, измеряющих жидкость определенной плотности.

Область применения таких уровнемеров очень широкая, их устанавливают на баках для контроля за уровнем воды в них, используют для контроля уровня воды нефтепродуктов в резервуарах и даже для слежения за количеством химических веществ в специальных хранилищах. С помощью поплавкового уровнемера можно контролировать не только степень заполнения водохранилищ, но и уровень воды в реках, отслеживать состояние коллекторов и отстойников.

На видео: принцип действия поплавкового уровнемера.

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.