09.08.2023

Датчики уровня: типы, характеристики, рекомендации по выбору

Контроль уровня различных сред имеет большое значение во многих отраслях промышленности и технологических процессах. От правильного определения уровня заполнения ёмкостей и резервуаров зависят качество выпускаемой продукции, безопасность ведения технологического процесса, оптимальный расход используемых материалов.

Для автоматического контроля и регулирования уровня жидкостей и сыпучих материалов применяются специальные измерительные устройства — датчики уровня. Они могут работать в широком диапазоне температур, давлений и агрессивных сред.

Существует множество разновидностей датчиков уровня, отличающихся принципом действия и особенностями конструкции. Правильный подбор датчиков в соответствии с условиями применения позволяет получать точные и надёжные данные об уровне контролируемой среды.

Фото радарного бесконтактного датчика уровня Vegapuls 68. Датчик имеет пластиковый корпус с резьбовым соединением. Работает на частоте 80 ГГц, дальность действия до 30 метров. Применяется для измерения уровня жидкостей, сыпучих продуктов и шламов в резервуарах, емкостях, силосах.

В данной статье подробно рассматриваются основные типы датчиков уровня жидкостей и сыпучих материалов, их устройство, принцип действия, достоинства и недостатки. Приводятся рекомендации по выбору датчиков уровня для решения различных практических задач. Материал будет полезен инженерам и специалистам, работающим в области автоматизации технологических процессов.

Содержание

1 Назначение и области применения датчиков уровня
2 Принцип действия датчиков уровня
3 Классификация датчиков по способу передачи данных
4 Классификация датчиков по способу взаимодействия с контролируемой средой
5 Классификация датчиков по принципу действия
6 Сравнительная таблица различных датчиков уровня
7 Критерии выбора датчика уровня
8 Рекомендации по применению различных типов датчиков
9 Диагностика неисправностей датчиков уровня
- 9.1 Типичные неисправности и способы их устранения
10 Заключение

Назначение и области применения датчиков уровня

Датчики уровня предназначены для определения текущего уровня заполнения жидкостью или сыпучими материалами различных ёмкостей и резервуаров с целью дальнейшего использования полученной информации в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов.

Основные области применения датчиков уровня:

Нефтегазовая промышленность — контроль уровня нефти, нефтепродуктов, газа в хранилищах, цистернах, трубопроводах.
Энергетика — контроль уровня воды, угля, золы в паровых котлах, системах водоснабжения ТЭС.
Пищевая промышленность — контроль уровня жидких и сыпучих пищевых продуктов в ёмкостях и танках.
Химическая промышленность — контроль уровня жидких и сыпучих химических веществ в реакторах и ёмкостях.
Коммунальное хозяйство — контроль уровня воды, осадков в водонапорных башнях, очистных сооружениях.
Другие отрасли — металлургия, фармацевтика, сельское хозяйство и др.

Различные датчики уровня.

В целом, датчики уровня имеют широкое применение в промышленности для автоматизации контроля технологических процессов в различных отраслях.

Принцип действия датчиков уровня

Принцип действия датчиков уровня основан на преобразовании текущего уровня заполнения в электрический сигнал.

В датчиках уровня жидкостей используются следующие физические принципы:

Изменение гидростатического давления жидкости (в гидростатических датчиках).
Изменение электрической ёмкости или сопротивления (в ёмкостных и резистивных датчиках).
Регистрация времени прохождения ультразвукового сигнала (в ультразвуковых датчиках).
Изменение частоты колебаний пьезоэлемента (в вибрационных датчиках).
Отражение электромагнитного излучения (в радарных датчиках).

В датчиках уровня сыпучих материалов также применяются:

Механическое вращение зонда, которое прекращается при достижении заданного уровня.
Регистрация вибрации или наклона подвижных элементов.
Изменение ёмкости или сопротивления между зондом и стенкой ёмкости.
Отражение электромагнитных или акустических волн.

Полученный электрический сигнал используется для индикации уровня или управления техпроцессом.

Классификация датчиков по способу передачи данных

По способу передачи данных датчики уровня классифицируются на аналоговые и дискретные.

Аналоговые датчики формируют выходной сигнал, непрерывно изменяющийся во всем диапазоне измерения и пропорциональный текущему уровню. Это может быть ток 4-20 мА, напряжение 0-10 В и др.

Аналоговые датчики обеспечивают высокую точность измерения уровня, но стоимость их выше.

Дискретные датчики выдают сигнал только при достижении заданных пороговых значений уровня. Это могут быть релейные сигналы, частотные, цифровые.

Дискретный датчик уровня заполнения.

Дискретные датчики проще и дешевле аналоговых, но не дают непрерывных данных об уровне.

При выборе типа датчика следует учитывать требования конкретной задачи к точности измерений и стоимости системы. Для непрерывного мониторинга уровня предпочтительны аналоговые датчики, а для простой сигнализации о превышении пределов — дискретные.

Классификация датчиков по способу взаимодействия с контролируемой средой

По способу взаимодействия с контролируемой жидкостью или сыпучей средой датчики уровня делятся на контактные и бесконтактные.

Контактные датчики предполагают непосредственный контакт чувствительного элемента с измеряемой средой. К ним относятся:

Поплавковые датчики;
Ёмкостные датчики;
Гидростатические датчики;
Емкостные зонды.

Бесконтактные датчики позволяют определять уровень дистанционно, без контакта с контролируемой средой. К ним относятся:

Ультразвуковые датчики;
Радарные датчики;
Лазерные датчики;
Радиоизотопные датчики.

Контактные датчики проще и дешевле, но подвержены воздействию среды. Бесконтактные датчики позволяют измерять агрессивные и горячие среды.

Контактные датчики обладают более низкой стоимостью, но контактируют со средой, а бесконтактные позволяют измерять уровень агрессивных или горячих жидкостей и сыпучих материалов без воздействия на чувствительный элемент.

При выборе типа датчика необходимо учитывать условия и задачи контроля уровня, чтобы определить оптимальный вариант.

Классификация датчиков по принципу действия

По принципу действия датчики уровня классифицируют следующим образом:

Механические датчики — используют перемещение поплавка, троса или ленты. К ним относятся поплавковые, буйковые, лотовые датчики.
Гидростатические датчики — основаны на зависимости давления столба жидкости от уровня.
Емкостные датчики — используют зависимость электрической ёмкости от уровня жидкости.
Ультразвуковые датчики — определяют уровень по времени прохождения ультразвукового сигнала.
Радарные датчики — работают на основе отражения электромагнитных сигналов от поверхности.
Оптические датчики — используют изменение оптических свойств при прохождении сигнала через жидкость.
Радиоизотопные датчики — основаны на ослаблении гамма-излучения при прохождении через вещество.
Датчики раздела фаз — предназначены для определения границы раздела между двумя несмешивающимися жидкостями.

Датчики раздела фаз работают за счёт регистрации изменения физических свойств (плотности, диэлектрической проницаемости) на границе раздела жидкостей. В качестве чувствительного элемента используются поплавки, ёмкостные или кондуктометрические зонды.

Такие датчики отличаются высокой точностью определения уровня раздела фаз. Они находят применение в системах сбора и хранения нефти и нефтепродуктов.

Такой принцип классификации помогает определить тип датчика, наиболее подходящий для конкретных условий применения.

Сравнительная таблица различных датчиков уровня

Тип датчика	Принцип действия	Достоинства	Недостатки	Область применения
Поплавковый	Перемещение поплавка	Простота конструкции, надежность	Не подходит для вязких жидкостей	Резервуары с жидкостями
Емкостной	Изменение электрической ёмкости	Простота, возможность работы при высоком давлении	Низкая точность, влияние электропроводности среды	Ёмкости с небольшим объёмом
Ультразвуковой	Измерение времени прохождения ультразвука	Высокая точность, работа в агрессивных средах	Влияние температуры, давления, пены	Резервуары с агрессивными жидкостями
Радарный	Отражение электромагнитных волн	Бесконтактное измерение, работа в широком диапазоне условий	Восприимчивость к газовым включениям, высокая стоимость	Резервуары с нефтепродуктами, химикатами
Датчик раздела фаз	Регистрация изменения физических свойств на границе раздела жидкостей	Высокая точность, простота	Ограниченная область применения	Определение уровня в системах сбора и хранения нефти и нефтепродуктов

Таблица наглядно демонстрирует особенности разных типов датчиков уровня для удобства выбора оптимального варианта.

Критерии выбора датчика уровня

При выборе датчика уровня для конкретной задачи необходимо учитывать следующие критерии:

Характеристики контролируемой среды — агрессивность, вязкость, температура, давление, плотность, электропроводность и др.
Диапазон и точность измерений — необходимая точность и границы измеряемого уровня.
Условия размещения датчика — открытая или закрытая ёмкость, ограничения по размеру, доступу.
Требования NAMUR — взрывозащита, устойчивость к внешним воздействиям и др.
Выходные сигналы датчика — аналоговый, частотный, релейный и др.
Стоимость — затраты на покупку и обслуживание, срок окупаемости.
Надёжность работы — стабильность показаний, периодичность калибровок, ремонтопригодность.

Учёт этих критериев позволяет подобрать датчик, оптимально соответствующий по своим техническим и экономическим характеристикам задачам измерения уровня на объекте.

Диагностика неисправностей датчиков уровня

При возникновении неисправностей датчиков уровня в первую очередь необходимо провести диагностику для выявления возможных причин.

Для этого можно выполнить следующие действия:

Визуальный осмотр датчика, кабеля, мест подключения. Позволяет выявить видимые повреждения, ослабление креплений.
Проверка напряжения питания датчика. Необходимо убедиться, что оно соответствует паспортным данным.
Измерение выходного сигнала датчика. При отклонении от номинальных значений можно заподозрить неисправность.
Поэтапная проверка целостности линии связи от датчика к приёмнику сигнала. Помогает локализовать обрыв или короткое замыкание линии.
Замена датчика на исправный для проверки. Подтверждает, что неисправность именно в датчике, а не в линии связи.
Осциллографирование сигнала датчика. Позволяет глубже диагностировать характер и причину неисправности.

Такой подход к диагностике неисправностей датчиков уровня поможет быстрее найти и устранить причину проблемы.

Типичные неисправности и способы их устранения

Нет сигнала от датчика

Проверить надежность подключения датчика и целостность кабеля.
Проверить полярность подключения.
Проверить питание датчика, при необходимости заменить источник питания.
Заменить вышедший из строя чувствительный элемент датчика.

Сигнал нестабилен или сильно зашумлен

Проверить крепление и изоляцию соединительных проводов датчика.
Устранить возможные внешние электромагнитные наводки.
Заменить неисправный электронный блок датчика.
Возможно датчик установлен в неподходящей для него среде.

Показания датчика не соответствуют реальному уровню

Проверить правильность установки и монтажа датчика.
Провести калибровку датчика по рабочей среде.
Убедиться, что параметры рабочей среды (плотность, температура, состав) в норме.
Заменить неисправный чувствительный элемент.

Коррозия чувствительного элемента контактного датчика

Проверить совместимость материалов датчика и рабочей среды.
Заменить чувствительный элемент на более стойкий к рабочей среде.
Использовать датчик с защитными покрытиями элементов.

Своевременное выявление и устранение типичных неисправностей позволит обеспечить надежную работу датчиков уровня на объекте.

Заключение

Датчики уровня жидкости являются важным компонентом систем автоматизации и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Они позволяют контролировать уровень заполнения резервуаров, ёмкостей, трубопроводов для оптимизации и повышения безопасности производства.

Существует большое разнообразие типов датчиков уровня, отличающихся принципом действия и конструкцией. В статье мы рассмотрели основные виды датчиков, их устройство, достоинства и недостатки.

Правильный подбор датчиков уровня с учетом условий эксплуатации и требований к системе контроля позволяет получать надежные и точные данные об уровне жидких сред.

В настоящее время активно развиваются беспроводные радарные датчики уровня, которые обеспечивают бесконтактные измерения и удобство монтажа. Перспективным направлением являются микроэлектромеханические датчики MEMS, обладающие высокой точностью и надёжностью.

Датчики уровня будут и дальше совершенствоваться, чтобы соответствовать растущим требованиям промышленной автоматизации. Их развитие будет способствовать повышению эффективности и безопасности технологических процессов.