Czujniki poziomu cieczy w zbiorniku pozwalają zarówno na bieżący pomiar ilości napełnionej cieczy, jak i zgłaszają osiągnięcie jej wartości granicznych. Takie urządzenia składają się z czułego czujnika, który reaguje na określone parametry fizyczne oraz obwodów pomiarowych, kontrolnych i wskazujących. W zależności od zastosowania wykorzystywane są urządzenia różniące się zasadą działania.
Informacje przedstawione w artykule pomogą poznać zasady działania różnych typów czujników oraz obszary ich zastosowania. Przeprowadzony zostanie krótki przegląd ich zalet i wad, zostaną wskazani główni producenci, którzy sprawdzili się na rynku.
Klasyfikacja urządzeń
Czujniki poziomu cieczy w zbiorniku mogą być wskaźnikami poziomu lub urządzeniami sygnalizacyjnymi. Pierwsze z nich przeznaczone są do ciągłego pomiaru poziomu cieczy w danej chwili.czas. Używają czujników, które działają na różnych zasadach fizycznych. Dalsze przetwarzanie pochodzących z nich sygnałów odbywa się za pomocą analogowych lub cyfrowych obwodów elektronicznych wchodzących w skład wskaźników poziomu. Uzyskane wskaźniki są wyświetlane na elementach wyświetlacza.
Sygnalizatory ostrzegają o osiągnięciu określonej wartości poziomu cieczy w zbiorniku, ustawionej za pomocą elementów nastawczych. Inna ich nazwa to czujniki poziomu wody w zbiorniku, które wyłączają jego dalszy dopływ. Ich sygnał wyjściowy jest dyskretny. Ostrzeżenie może mieć postać alarmu świetlnego lub dźwiękowego. W takim przypadku działanie układu napełniania lub opróżniania jest automatycznie blokowane.
Metody pomiaru poziomu
W zależności od właściwości cieczy mierzonej w zbiorniku stosuje się następujące metody pomiaru:
- kontakt, w którym czujnik poziomu cieczy w zbiorniku lub jego części bezpośrednio oddziałuje z mierzonym medium;
- bezdotykowy, unikający bezpośredniej interakcji czujnika z cieczą (ze względu na jego agresywne właściwości lub wysoką lepkość).
Urządzenia kontaktowe znajdują się w zbiorniku bezpośrednio na powierzchni mierzonej cieczy (pływaki), w jej głębokości (manometry hydrostatyczne) lub na ścianie zbiornika na określonej wysokości (kondensatory płytowe). W przypadku mierników bezkontaktowych (radarowych, ultradźwiękowych) konieczne jest zapewnienie strefy bezpośredniej widoczności powierzchni mierzonej cieczy i braku bezpośredniego kontaktu zjej.
Zasady działania
Zarówno wskaźniki poziomu, jak i urządzenia sygnalizacyjne wykorzystują różne zasady działania do wykonywania swoich funkcji. Najczęściej używane są następujące typy urządzeń:
- czujniki pływakowe poziomu cieczy w zbiorniku;
- pojemnościowy;
- hydrostatyczne czujniki poziomu cieczy;
- urządzenia typu radarowego;
- czujniki ultradźwiękowe.
Float z kolei może być mechaniczny, dyskretny i magnetostrykcyjny. Pierwsze trzy grupy czujników obejmują urządzenia wykorzystujące stykową metodę pomiaru, pozostałe dwie to urządzenia bezstykowe.
Mechaniczne wyłączniki pływakowe
Lekki pływak, stale na powierzchni cieczy w zbiorniku, jest połączony systemem mechanicznych dźwigni ze środkowym zaciskiem potencjometru, który stanowi ramię mostka oporowego. Przy minimalnej ilości cieczy w zbiorniku most uważany jest za zrównoważony. Na jego przekątnej pomiarowej nie ma napięcia.
W miarę napełniania zbiornika pływak monitoruje położenie poziomu cieczy, przesuwając ruchomy styk potencjometru przez system dźwigni. Zmiana rezystancji potencjometru prowadzi do naruszenia zrównoważonego stanu mostka. Napięcie pojawiające się na jego przekątnej pomiarowej jest wykorzystywane przez układ elektroniczny wyświetlacza. Jego odczyty analogowe lub cyfrowe odpowiadają ilości cieczy w zbiorniku w bieżącym czasie.
Dyskretne wyłączniki pływakowe
Sygnał dyskretny w postaci obwodulub otwarcie styków kontaktronu jest wykorzystywane przez elektroniczny obwód wskazania i sygnalizacji do powiadomienia, że poziom cieczy w zbiorniku osiągnął określoną wartość. Metalowe styki, które są wykonane z materiału o niskiej rezystancji styku, gdy są zamknięte, są umieszczone w pustej izolowanej bańce szklanej.
Czujnik poziomu wody w zbiorniku z dyskretnym wyjściem zawiera prowadnicę w postaci pustej rurki, do której nie dostaje się ciecz ze zbiornika. Styki jednego lub więcej kontaktronów są zamocowane wewnątrz prowadnicy. Ich lokalizacja zależy od przypadku, w którym konieczne jest zgłoszenie alarmu, gdy poziom cieczy osiągnie zadaną wartość.
Pływak czujnika z wbudowanym małym magnesem trwałym porusza się wzdłuż prowadnicy, gdy zmienia się poziom cieczy w zbiorniku. Działanie grupy stykowej następuje w momencie wejścia w pole magnetyczne magnesu trwałego pływaka. Sygnał przewodami podłączonymi do styków czujnika poziomu wody w zbiorniku kontaktronu trafia do obwodu alarmowego.
Magnetostrykcyjne czujniki pływakowe
Czujniki tego typu zapewniają stały sygnał w zależności od poziomu cieczy w zbiorniku. Głównym elementem, podobnie jak w poprzednim przypadku, jest pływak z umieszczonym wewnątrz magnesem trwałym, który zajmuje pozycję na powierzchni cieczy i porusza się w płaszczyźnie pionowej wzdłuż prowadnicy.
Wewnętrzna wnęka prowadnicy, odizolowana od cieczy, jest zajęta przez falowód. Wykonany jest z magnetostrykcyjnegomateriał. W dolnej części elementu znajduje się źródło impulsów prądu, które się wzdłuż niego rozchodzą.
Kiedy wypromieniowany impuls dociera do miejsca, w którym znajduje się pływak z magnesem, dwa pola magnetyczne wchodzą w interakcję. Wynikiem tej interakcji jest występowanie drgań mechanicznych, które rozchodzą się z powrotem wzdłuż falowodu.
Przy generatorze impulsów zamocowany jest element piezoelektryczny, który wychwytuje drgania mechaniczne. Zewnętrzny układ elektroniczny analizuje opóźnienie czasowe pomiędzy wysyłanymi i odbieranymi impulsami i oblicza odległość do pływaka, który stale znajduje się na powierzchni cieczy. Obwód sygnalizacyjny stale informuje o poziomie cieczy w zbiorniku.
Czujniki pojemnościowe
Działanie czujników tego typu opiera się na właściwościach kondensatora, który zmienia jego pojemność elektryczną, gdy zmienia się stała dielektryczna materiału wypełniającego przestrzeń między jego płytami. Stosowane są kondensatory koncentryczne, które są parą współosiowych pustych metalowych cylindrów o różnych średnicach.
Te ostatnie to płyty kondensatorów, pomiędzy którymi może swobodnie wnikać ciecz. Stałe dielektryczne powietrza i ośrodka płynnego mają różne wartości. Napełnienie zbiornika prowadzi do zmiany wartości całkowitej stałej dielektrycznej kondensatora współosiowego i odpowiednio jego pojemności elektrycznej.
Częstotliwość obwodu oscylacyjnego, inobwód, do którego podłączony jest kondensator, zmienia się proporcjonalnie do zmiany jego pojemności. Elektroniczna przetwornica częstotliwości/napięcia monitoruje tę zmianę i wyświetla wartość proporcjonalną do stopnia napełnienia zbiornika.
Czujniki hydrostatyczne
Inna nazwa takiego urządzenia to detektor lub przetwornik ciśnienia. Mogą być stacjonarne, zamocowane na dnie zbiornika wypełnionego cieczą lub przenośne. W tym ostatnim przypadku przetworniki ciśnienia wyposażone są w kabel o znacznej długości. Dzięki temu można je stosować do zbiorników o różnych rozmiarach geometrycznych.
Czułym elementem czujnika hydrostatycznego jest membrana, która odbiera ciśnienie słupa cieczy nad nią. Jej regulacja odbywa się w taki sposób, aby ciśnienie atmosferyczne nie prowadziło do deformacji membrany. Ciśnienie w punkcie pomiarowym można wykorzystać do określenia wysokości słupa cieczy lub stopnia napełnienia zbiornika.
Wielkość odkształcenia membrany jest przekształcana na proporcjonalną wartość elektryczną, która jest następnie wykorzystywana do wyświetlania poziomu cieczy w zbiorniku. Stosowane są poprawki uwzględniające gęstość mierzonego medium oraz przyspieszenie ziemskie w punkcie pomiaru.
Czujniki typu radarowego
Czujnik poziomu cieczy w zbiorniku wykorzystuje bezdotykową metodę pomiaru opartą na właściwościach tego medium o dowolnej gęstościi lepkość, aby odzwierciedlić sygnał elektryczny. Częstotliwość emitowanego sygnału radaru znajdującego się nad powierzchnią mierzonego poziomu cieczy zmienia się zgodnie z zasadą liniową.
Odbity od powierzchni, dociera do urządzenia odbiorczego z opóźnieniem określonym przez długość przebytej drogi. Tak więc istnieje różnica między częstotliwościami dwóch sygnałów. Na podstawie wielkości przesunięcia częstotliwości urządzenie analizujące lokalizatora określa ścieżkę przebytą przez sygnał lub poziom cieczy odbijającej w stosunku do lokalizacji radaru.
Ultradźwiękowe czujniki poziomu
Schemat pomiaru zastosowany dla czujników tego typu odpowiada temu omówionemu w poprzedniej części artykułu. Lokalizacyjną metodę pomiaru stosuje się w zakresie długości fali ultradźwiękowej.
Odbierane dane określają różnicę czasu między emitowanym nadajnikiem a sygnałami odbieranymi przez odbiornik. Na podstawie danych o prędkości propagacji ultradźwięków w przestrzeni nad powierzchnią cieczy analizator określa odległość przebytą przez sygnał, czyli poziom cieczy w zbiorniku.
Krótki przegląd producentów
Czujniki poziomu cieczy w zbiorniku „ARIES” umożliwiają wykonanie niezbędnych pomiarów na wysokim poziomie. Reklamy ich produktów można znaleźć na wielu zagranicznych stronach.
Zasługuje na uwagę produkty krajowego projektanta i producenta L-CARD, wpisane do Państwowego Rejestru Przyrządów Pomiarowych. Grupa Alta, działająca na rynku rosyjskim od ponad 10 lat, mazasłużone pozytywne opinie.
Wniosek
Czujniki poziomu cieczy w zbiorniku należy dobierać w oparciu o warunki ich użytkowania, właściwości cieczy, wymagane wskaźniki dokładności pomiaru. Najdokładniejsze odczyty można uzyskać za pomocą czujników radarowych, mierników magnetostrykcyjnych.
Należy pamiętać, że absolutna dokładność wymaga wyższych kosztów materiałowych. Czujniki pływakowe i sygnalizatory są urządzeniami najprostszymi, ale ich zastosowanie jest ograniczone warunkami wibracyjnymi ze względu na pienienie się cieczy, jej lepkość i agresywność medium.
Optymalnym rozwiązaniem, ze względu na stosunek ceny do jakości, jest zastosowanie czujników hydrostatycznych i pojemnościowych, z zastrzeżeniem ograniczeń nałożonych na właściwości mierzonego płynu.
