PŘEHLED SNÍMAČŮ HLADIN KAPALIN A SYPKÝCH LÁTEK – Studentské vědecké fórum

Struchaev I.V. 1, Kharitonov Y.S. 1
1 Polytechnický institut (pobočka) Federálního státního autonomního vzdělávacího institutu pro vyšší vzdělávání „NEFU pojmenované po. M.K. Ammosova“ v Mirny
Práce ve formátu PDF

Text práce je umístěn bez obrázků a vzorců.
Plná verze práce je k dispozici v záložce “Job Files” ve formátu PDF

UDC 621.31

PŘEHLED SNÍMAČŮ HLADINY KAPALNÝCH A PEVNÝCH LÁTEK

Úvod Snímače hladiny jsou zařízení, která umožňují sledovat množství kapalné nebo zrnité látky podle úrovně jejího povrchu v určité nádobě. Snímače hladiny mohou produkovat diskrétní (při dosažení určité hladiny) nebo spojitý signál (absolutní výška aktuální hladiny) v závislosti na principu činnosti, což ovlivňuje jejich technickou náročnost a také cenu. Hladinové snímače mohou být navíc kontaktní nebo bezkontaktní, což také ovlivňuje cenu a rozsah jejich aplikace.

Hladina je výška naplnění technologického zařízení pracovním médiem s kapalinou nebo zrnitým tělesem. Úroveň pracovního prostředí je technologický parametr, jehož informace jsou nezbytné pro řízení provozního režimu technologického zařízení, v některých případech i pro řízení výrobního procesu. Měřením hladiny můžete získat informace o hmotnosti kapaliny v nádržích. Tyto informace jsou široce používány pro provádění transakcí se zásobami a pro řízení výrobního procesu.

Existují hladinoměry určené k měření úrovně pracovního prostředí; měření hmotnosti kapaliny v technologickém zařízení; signalizace mezních hodnot úrovně pracovního prostředí.

Hladinové spínače jsou nejběžnější automatizační zařízení. Principy fungování těchto zařízení jsou velmi rozmanité a jsou určeny jak fyzikálními vlastnostmi prostředí, tak zadávanými úkoly. Při signalizaci hladiny sypkých suchých látek ultrazvukové radary, hmotnostní měřiče kontejneru s produktem, systémy založené na měření útlumu ultrazvukové vlny šířící se po stěně kontejneru od zářiče umístěného v úrovni nastavení alarmu do používají se přijímače umístěné vodorovně v určité vzdálenosti. Existují také radioizotopová zařízení, která osvětlují stěnu kontejneru, na jehož opačné straně je Geigerův počítač. Pro signalizaci hladiny kapalin je k dispozici mnohem více zařízení. Pokud kapalina není elektricky vodivá, pak se kromě výše uvedeného použijí kapacitní snímače – kdy se do nádrže v poplachové hladině vloží dvojice sousedních elektrod, izolovaných fluoroplastovou fólií. Když kapalina pokryje elektrody, její dielektrická konstanta zvyšuje elektrickou kapacitu, jejíž změna je měřena elektrickým obvodem snímače. Nejčastěji se používají plovoucí a vibrační alarmy. U plovákových snímačů, kterých existuje mnoho různých provedení, se při vyplavení plováku spustí jazýčkový spínač nebo bezkontaktní prvek. Základem vibračního alarmu je LC – nízkofrekvenční generátor. V indukčním poli je umístěn mechanický rezonátor ve formě ladičky. Když se kapalina dotkne plátků rezonátoru, útlum mechanických vibrací se značně zvýší a generování je narušeno. Signalizační obvod vytváří externí signál, když je dosaženo požadované úrovně. Kromě výše uvedených způsobů se signalizace hladiny elektricky vodivých kapalin nejčastěji provádí pomocí monitorovacích elektrod. Princip činnosti spočívá v měření elektrického odporu mezi řídicí elektrodou a společným vodičem. Aby se eliminoval účinek polarizace elektrod, ve kterých je elektroda pokryta filmem produktů elektrolýzy, který špatně vede elektrický proud, řízení se provádí výhradně na střídavý proud. Nejčastěji se tímto způsobem měří hladina vody. Typicky je napětí na řídicích elektrodách přibližně 6 V a elektronický obvod se spustí, když je odpor v obvodu řídicí elektrody nižší než 3 kOhm. Obvod alarmu má symetrický vstup pro obě půlvlny řídicího napětí. Napětí generované na měřicím odporu je usměrněno a přivedeno na vstup prahového prvku, na jehož výstupu je připojeno relé nebo bezkontaktní prvek.

Navzdory skutečnosti, že v posledním desetiletí byl arzenál přístrojů pro měření hladiny doplněn o nový vývoj, podle různých zdrojů zůstávají plovákové snímače hladiny kapalin a kapacitní snímače hladiny na světové špičce. Jejich celkový podíl mezi celou řadou hladinových snímačů je 40 %. Přitom 25 % všech typů hladinových snímačů jsou plovákové a 15 % kapacitní. Což není překvapivé: 80 % úloh měření hladiny zahrnuje měření hladiny kapalin a plovákové senzory jsou zde optimální díky své jednoduchosti konstrukce a ekonomické proveditelnosti.

Podle principu činnosti mohou být snímače hladiny: kapacitní, plovákové, radarové, ultrazvukové, hydrostatické.

Kapacitní snímač hladiny. Činnost tohoto typu snímače je založena na schopnosti kondenzátoru měnit svou kapacitu, když se mění složení a rozložení dielektrického materiálu oddělujícího desky kondenzátoru. Tato vlastnost se používá v mnoha kapacitních detektorech, jako jsou kapacitní senzory vlhkosti.

Předpokládejme, že máme koaxiální kondenzátor umístěný v kapalině (obrázek 1), který může volně pronikat do prostoru mezi deskami. Pokud je známa dielektrická konstanta kapaliny, lze sestavit následující rovnici:

C – Celková kapacita kondenzátoru;

С – Kapacita části kondenzátoru, která neobsahuje kapalinu;

С_l – Kapacita sekce kondenzátoru obsahující kapalinu;

ε – Dielektrická konstanta plynného média;

ε_l – Dielektrická konstanta kapalného média;

G – Geometrický koeficient části kondenzátoru, která neobsahuje kapalinu;

G_l – Geometrický koeficient průřezu kondenzátoru obsahujícího kapalinu.

Při změně hladiny kapaliny se změní i hodnota celkové kapacity kondenzátoru. Pokud je kondenzátor připojen k elektrickému obvodu, není obtížné sledovat změnu kapacity, podle které lze jasně posoudit změnu hladiny kapaliny.

Rýže. 1. Obecné schéma kapacitního snímače hladiny.

Kapacitní senzory nemají žádné pohyblivé prvky, takže jsou docela spolehlivé a odolné. Mezi jejich nevýhody patří značná teplotní závislost (která se však dá kompenzovat), stejně jako nutnost ponoření do kapaliny.

Plovákový snímač hladiny. Senzory tohoto typu mají poměrně jednoduchou konstrukci. Existuje několik konfigurací, které vydávají jak diskrétní, tak spojité signály, ty lze rozdělit do dvou kategorií – mechanické a magnetostrikční. Magnetostrikční snímače využívají jako jeden z prvků také plovák, ale jinak jsou značně odlišné od běžných mechanických plovákových snímačů.

Diskrétní plovákové snímače hladiny. Implementace senzoru, který produkuje diskrétní signál, obvykle používá sadu plováků umístěných na různých úrovních nádrže. Když kapalina dosáhne úrovně, na které se nachází plovák, je vytlačena ven vlivem Archimedovy síly směřující nahoru. To pohání mechanický systém nebo elektromechanický systém a výstupní signál vzniká například při sepnutí elektrických kontaktů jazýčkového relé.

Alternativní konfigurace má průvodce obsahující sadu relé. Plovák obsahující permanentní magnet se pohybuje podél vodítka po hladině kapaliny. Přiblížení plováku k relé způsobí jeho činnost (obrázek 2).

Rýže. 2. Obecné schéma plovákového snímače hladiny s diskrétním výstupem.

Diskrétní výstupní signál může být použit pro „krok za krokem“ sledování hladiny kapaliny v nádrži – snímač jednoduše hlásí, zda hladina kapaliny dosáhla určité úrovně nebo ne. Také snímač hladiny s diskrétním výstupním signálem může sloužit jako prvek autonomního regulátoru v případě, kdy je například potřeba udržovat konstantní hladinu kapaliny v nádrži – pro realizaci tohoto obvodu může výstupní signál přímo ovládat výkonové relé, které otevírá/zavírá vstupní/výstupní ventil nádrže.

Diskrétní plovákové snímače jsou levné, jednoduché a docela spolehlivé, ale vyžadují ponoření do kapaliny a mají pohyblivou mechaniku.

Magnetostrikční plovákové senzory. Plovoucí snímače, které produkují spojitý signál, jsou obvykle snímače magnetostrikčního typu a mají poměrně složitou strukturu (obrázek 3). Hlavním designovým prvkem je stále plovák, v tomto případě obsahuje permanentní magnet. Plovák se může volně pohybovat po vodítku, uvnitř kterého je vlnovod vyrobený z magnetostrikčního materiálu. S určitou periodicitou generuje elektronická jednotka snímače proudový impuls, který se šíří podél vlnovodu. Když pulz dosáhne oblasti, kde se nachází plovák, magnetické pole plováku a magnetické pole pulzu se vzájemně ovlivňují, což má za následek mechanické vibrace, které se šíří zpět podél vlnovodu a jsou detekovány citlivým piezoelektrickým prvkem. Podle časové prodlevy mezi vysláním proudového impulsu a přijetím mechanického impulsu lze posoudit vzdálenost k plováku a tím i hladinu kapaliny v nádrži.

Rýže. 3. Obecné schéma magnetostrikčního snímače hladiny.

Magnetostrikční senzory jsou velmi přesné, poskytují nepřetržitý signál a lze je použít i s flexibilním vlnovodem, což rozšiřuje jejich rozsah aplikací. Mezi jejich nevýhody patří jejich cena, technická náročnost a nutnost ponoření do kapaliny.

Radarový snímač hladiny. Snímač hladiny je postaven na principu chirpového radaru, známější zahraniční transkripcí je FMCW. Jedná se o jednu z klasických metod radarového (radarového) měření vzdálenosti, která umožňuje minimalizovat vliv parazitního rušení a rušení spojeného s nerovností (neklidem) povrchu měřeného výrobku.

Princip činnosti zařízení je následující. Mikrovlnný generátor hladinového snímače generuje rádiový signál, jehož frekvence se v čase mění podle lineárního zákona (obrázek 4) (lineární frekvenčně modulovaný signál). Tento signál je vyzařován ve směru produktu, odráží se od něj a část signálu se po určité době v závislosti na rychlosti světla vrací zpět do antény. Vyzařovaný a odražený signál se smísí ve snímači hladiny (obrázek 4) a v důsledku toho se vytvoří signál, jehož frekvence je rovna rozdílu mezi frekvencemi přijímaného a vysílaného signálu Δf (obrázek 4), úměrně doba šíření t_res, a podle vzdálenosti od antény k měřenému produktu. Další zpracování signálu je prováděno mikroprocesorovým systémem hladinového snímače a spočívá v přesném určení frekvence výsledného signálu a přepočtu jeho hodnoty na hodnotu hladiny naplnění nádrže.

Zpracování signálu v hladinových snímačích je postaveno pomocí procesorů digitálního zpracování signálu (DSP) a díky tomu, stejně jako použití originálních algoritmů a technologií, probíhá v reálném čase bez dlouhodobého hromadění informací typických pro klasický chirp. vlnové (FMCW) radarové hladinoměry.

Rýže. 4. Obecný princip činnosti snímače hladiny radarového typu.

Tato metoda je zdaleka technologicky nejpokročilejší a nejpokročilejší. Mezi výhody senzoru založeného na ní patří: absence pohyblivých prvků; nedostatek kontaktu s kapalným médiem; všestrannost – schopnost pracovat s téměř jakýmkoliv prostředím za různých podmínek; vysoká přesnost; schopnost přizpůsobit algoritmus zpracování dat pro konkrétní aplikace. Hlavní nevýhodou radarových senzorů je jejich cena.

Ultrazvukový snímač hladiny. Tento typ snímače používá obvod, který je v mnoha ohledech podobný obvodu snímače radarového typu. V nádrži je instalován blok skládající se z generátoru a přijímače ultrazvukových vln (stejně jako např. u ultrazvukových průtokoměrů a ultrazvukových defektoskopů). Záření z generátoru SW prochází plynným prostředím, odráží se od povrchu kapaliny a dopadá na přijímač. Stanovením časové prodlevy mezi vysíláním a příjmem a znalostí rychlosti šíření ultrazvuku v daném plynném prostředí lze vypočítat vzdálenost k povrchu kapaliny – tedy určit její hladinu.

Ultrazvukové snímače hladiny mají téměř všechny výhody snímačů radarového typu, nicméně UD mají obvykle nižší přesnost, i když jsou ve své vnitřní struktuře jednodušší.

Rýže. 5. Příklady použití ultrazvukových senzorů.

Hydrostatický snímač hladiny. Pomocí snímačů tohoto typu se zjišťuje hladina kapaliny v nádrži měřením hydrostatického tlaku sloupce kapaliny nad citlivým prvkem snímače (detektor tlaku). Podle závislosti je výška sloupce určité kapaliny úměrná tlaku v daném bodě:

P – Tlak v daném bodě;

ρ – Hustota kapaliny;

g – gravitační zrychlení;

h – Výška sloupce kapaliny nad citlivým prvkem.

Rýže. 6. Měření hladiny v uzavřených nádržích pomocí snímače hydrostatického tlaku.

Takové snímače jsou kompaktní, relativně jednoduché, levné a jsou také schopné produkovat nepřetržitý signál, ale nejsou bezkontaktní, což ztěžuje jejich použití v agresivním prostředí.

Závěr. Snímače hladiny diskutované v tomto článku jsou počáteční, ale nezbytnou a důležitou fází automatizace systémů měření a údržby hladiny. Správný výběr fyzikálního principu činnosti snímače, který zaručuje přesný, spolehlivý a stabilní provoz zabezpečovacího zařízení v reálných průmyslových podmínkách, je klíčem ke stabilitě fungování celého technologického procesu a kvalitě hotového výrobku. . Kromě kompatibility fyzikálního principu jsou však důležitá i další kritéria pro výběr snímačů hladiny, která je třeba vzít v úvahu: elektrické, mechanické rozhraní, spolehlivost, cena systému, dostupnost.

Reference:

Plovákové hladinoměry jsou velmi oblíbené a osvědčily se v různých odvětvích. Společnost OWEN vyrábí tato zařízení již 11 let. Článek poskytuje podrobný popis řady plovákových alarmů a hladinoměrů v řadě senzorů OWEN a zkoumá hlavní vlastnosti a výhody jejich použití. Je ukázáno, že plováková metoda měření hladiny je optimální a zároveň spolehlivá.

Plovákové spínače na dálkové ovládání

Plovákové hladinové alarmy PDU (hladinové relé) jsou zařízení určená k signalizaci hladiny kapalných médií (obr. 1). Takové senzory mají výstupní signál typu „suchý kontakt“, který mění svůj stav působením magnetického plováku na vestavěný jazýčkový spínač.

Obr. 1Plovákové hladinové alarmy PDU-1, PDU-2 a PDU-3

Snímače PDU-1, PDU-2 a PDU-3 jsou vyrobeny z nerezové oceli 12X18N10T a AISI 316L a slouží k signalizaci jedné až tří hladin kapalných médií, jako je voda, mléko, olej, chemické roztoky, paliva a lehké ropné produkty. Každý snímač se vyrábí na zakázku, což znamená, že je možné zvolit typ instalace (horizontální nebo vertikální), délku snímače (až 3 m), počet plováků (od jednoho do tří), typ kontaktu (normálně sepnutý nebo normálně rozpojený), vzdálenost mezi plováky a délku kabelového vývodu (až 100 m).

Pro aplikace s nebezpečím výbuchu a požáru se vyrábějí a prošly certifikací nevýbušné verze senzorů PDU-Ex s ochranou proti výbuchu typu „jiskrově bezpečného obvodu“ typu 0 Exia IIC T4 X dle GOST 31610.11 (IEC 60079-11:2011). Symbol „X“ na konci označení ochrany proti výbuchu senzorů PDU-Ex znamená, že připojení k externím obvodům musí být provedeno přes jiskrově bezpečné bariéry s jiskrově bezpečnými parametry, které mají platné certifikáty shody s požadavky TR CU 012/2011. Přesně taková je jiskrově bezpečná bariéra OWEN ISKRA-SK (obr. 2).

Obr. 2Ochranná bariéra proti jiskrám ISKRA-SK pro hladinové alarmy PDU-Ex

Písmena „SK“ v názvu zařízení znamenají „suchý kontakt“, stejně jako název typu výstupního signálu senzorů PDU-Ex. Toto zařízení je určeno pro společné použití s nimi. Jiskrová bariéra ISKRA-SK zajišťuje bezpečné připojení alarmů PDU-Ex k sekundárním zařízením v souladu s předpisy pro prostředí s nebezpečím výbuchu a omezuje napětí a proud v obvodu na jiskrově bezpečné hodnoty (obr. 3).

Obr. 3Připojení alarmů PDU-Ex přes jiskrovou bariéru ISKRA-SK

Plovákové alarmy PDU-N

Arzenál měřicí techniky OWEN se již velmi brzy rozšíří o novou řadu hladinových senzorů PDU-N, určených pro externí instalaci v nádrži (obr. 4). Na rozdíl od modelů PDU-1, PDU-2 a PDU-3 nemá nová řada kabelový vývod a je vybavena konektorem dle normy EN175301-803.

Obr. 4Plovákové hladinové alarmy PDU-N

Nový model pomůže vyřešit typický a častý problém měření hladiny – nemožnost připevnění senzoru z vnitřního povrchu nádrže, jak je to u senzorů PDU. Pro připojení PDU-N proto budou k dispozici dva typy externího připojení: trubkový závit a CLAMP-fitting. Zahájení prodeje nových senzorů je naplánováno na prosinec 2020.

Plovákový alarm pro chemicky agresivní prostředí PDU-4.1

Existují kapaliny, ve kterých nerezová ocel nemůže fungovat, jako jsou alkoholy, zásady, různé agresivní kyseliny atd. Pro signalizaci maximální hladiny chemicky agresivního prostředí se používají senzory PDU-4. Tuto řadu představuje jedna modifikace – senzor PDU-4.1 (obr. 5), jehož tělo je vyrobeno z chemicky odolného polyvinylidenfluoridu (PVDF).

Obr. 5Plovákový hladinoměr pro chemicky agresivní prostředí PDU-4.1

Díky své chemické inertností PVDF nereaguje s většinou prostředí a z environmentálního hlediska je cenné, že PVDF je materiál, který je plně recyklovatelný a neprodukuje žádný odpad, je zcela netoxický a bezpečný.

Také při použití PDU-4.1 má uživatel možnost nezávisle změnit typ výstupního kontaktu (normálně sepnutý nebo normálně rozpojený) vyjmutím a otočením magnetického plováku.

Plovoucí hladinoměry Dálkové ovládání I a dálkové ovládání RS

Existují systémy, které vyžadují neustálé snímání hladiny různých kapalin v nádržích. Patří mezi ně například systémy technologického nebo obchodního účetnictví, ve kterých je nutné průběžně sledovat množství jakékoli látky s dostatečně vysokou přesností. Dalším příkladem je organizace procesů s rovnoměrným přívodem kapaliny. V takových systémech je kontinuita dodávky kapaliny zajištěna neustálým udržováním hladiny v zásobní nádrži.

Pro popsané úlohy obvykle nejsou vhodné hladinoměry s výstupem typu „suchý kontakt“, protože neposkytují požadovanou úroveň přesnosti. V těchto případech přicházejí na pomoc hladinoměry s analogovým výstupním signálem 4. 20 mA nebo s digitálním rozhraním RS-485 – například plovákové hladinoměry OWEN PDU-I a PDU-RS (obr. 6).

Obr. 6Plovákové hladinoměry PDU-I a PDU-RS

Tyto senzory se skládají z měřicí jednotky vyrobené z nerezové oceli a převodníku. Magnetický plovák, pohybující se společně s hladinou kapaliny podél kovové tyče, mění odpor jazýčkového spínače, který je v něm umístěn. Při změně hladiny kapaliny se tedy změní výstupní odpor senzoru a ten se převede na proudový signál 4 . 20 mA (pro senzory PDU-I) nebo na digitální signál přenášený přes rozhraní RS-485 pomocí protokolu Modbus RTU (pro senzory PDU-RS).

V zařízeních chemického a ropného a plynárenského průmyslu s nebezpečím výbuchu a požáru musí mít většina zařízení certifikát o ochraně proti výbuchu. Tento certifikát znamená, že zařízení je bezpečné pro provoz ve výbušném prostředí. Příkladem takových zařízení jsou plovákové hladinoměry PDU-I-Exd a PDU-RS-Exd (obr. 7).

Obr. 7Hladinoměry v nevýbušném provedení PDU-I-Exd a PDU-RS-Exd

Tato zařízení mají ochranu proti výbuchu typu „pevný závěr „d“ 1 Ex d IIC T4 Gb“, což potvrzují příslušné certifikáty. S pomocí hladinoměrů PDU-I-Exd a PDU-RS-Exd je proto možné kontinuálně měřit hladinu různých kapalin (roztoků, lehkých ropných produktů atd.) ve výbušném průmyslu a převádět ji jak na analogový signál 4 . 20 mA, tak na digitální pro přenos přes rozhraní RS-485.

Publikováno v časopise ISUP č. 5(89)_2020

A. D. Klykov, produktový manažer pro hladinové senzory,
Společnost OWEN, Moskva,
tel.: +7 (495) 641-1156,
e-mail: [email protected],
webové stránky: owen.ru

Главное меню
Můžete si stáhnout

• Rozhovor
• Logo časopisu
• Časopisy
• Články
  • přístrojové vybavení a automatizace
    • Měření průtoku
    • Zařízení na analýzu plynů, analýza plynů
    • Měření tlaku
    • Měření hladiny
    • Termometrie
    • Zkušební zařízení, metrologie
    • Bezpapírové registry
    • Analytické systémy a zařízení
    • Bezkontaktní měření
    • Měření hmotnosti, dávkování, objem
    • Měřicí systémy
    • Normalizační měniče a ochranné bariéry proti jiskrám
    • Primární automatizace
    • Elektrická měření
    • Kodéry
    • MES, ERP, PLM
    • Prediktivní analytika, MRO
    • Doprava
    • Monitorování vibrací
    • Systémy pro vyrovnávání hřídelů (včetně laseru)
    • SMIK
    • ASKUE
    • Generace
    • Kondenzátorové jednotky (KRM)
    • PAZ a reléová ochrana
    • Softwarové a hardwarové systémy (PTK)
    • Telemetrické a telemechanické systémy
    • Transformátory
    • SPD, ochrana před bleskem, uzemnění
    • Měření elektřiny, energetický management
    • Digitální rozvodna
    • Zařízení odolné proti výbuchu
    • Elektrické výrobky a nářadí
    • Spínací zařízení
    • Komponenty
    • Kryty, tepelné skříně
    • značkování
    • Modulární automatizace
    • Kompletní zařízení nízkého napětí NKU, hlavní rozvaděč, ASU, ShchSU, ShR, AVR atd.
    • Ovládací panely
    • Napěťová relé, časovače atd.
    • Ovládací a automatizační panely (včetně ovládání požárních čerpadel)
    • Ovládací a automatizační panely (ventilace, čerpadla atd.)
    • Elektroinstalační výrobky
    • Automatizace kotelny
    • Inteligentní budova
    • Expediční systémy budov a staveb
    • Ochranné nátěry, průmyslové chemikálie
    • Neformátovaný
    • Průmyslový marketing
    • výročí
    • Vibrační testy
    • Klimatické komory
    • Testovací zařízení a systémy
    • Kabelové nosné systémy, žlaby, upevňovací prvky.
    • Kabel, drát
    • Kabelové vstupy, oka, koncovky, fitinky
    • Rozvodné krabice, potrubí atd.
    • Potrubní systémy pro vedení kabelů
    • Smluvní výroba
    • Мебель
    • Mytí, čištění atd.
    • Pájení
    • Elektrické topení