Сигнализаторы уровня производства НПК «ТЕКО». Критерии выбора и рекомендации по применению

Растущий спрос на современные автоматизированные системы контроля технологических процессов создает потребность в точных и надежных устройствах для измерения уровня. Использование датчиков уровня позволяет повысить стабильность техпроцессов и качество готовых продуктов, снизить цену изделия и количество отходов. Но как правильно выбрать датчик уровня, оптимально подходящий для решения клиентской задачи? Изложенный в статье материал позволит сориентироваться во множестве устройств, построенных на основе порядка 20 измерительных принципов. Акцент сделан на емкостные и магниточувствительные поплавковые измерительные методы, выбранные фирмой «ТЕКО» для разработки базовых и заказных исполнений датчиков.

Введение

Уровнем называют высоту заполнения технологической емкости или открытого бассейна материалом рабочей среды процесса — жидкостью или сыпучим материалом.

Информация об уровне необходима для управления технологическими процессами и предотвращения аварийных ситуаций. Путем нехитрых математических операций значение параметра уровня можно легко преобразовать в объемные и весовые параметры жидкостей и сыпучих материалов, хранящихся в силосах, бункерах, резервуарах, цистернах и т. д. в каждый момент времени. Информация об уровне, полученная в течение определенного отрезка времени, дает информацию о расходе продукта.

Измерение уровня используется в самых разнообразных отраслях промышленности: сельском хозяйстве, нефтехимической отрасли, горно-обогатительной и металлургической отраслях, производстве строительных материалов, пищевой промышленности, машиностроении, деревообработке, фармацевтике, жилищно-коммунальном хозяйстве, производстве и распределении воды, тепловой и электрической энергии и др.

Задачи измерения уровня жидких и сухих веществ в современных системах автоматизации технологических процессов в настоящее время обыденны и привычны, но, тем не менее, актуальны, поскольку современные системы управления являются микропроцессорными и требуют все более интеллектуальных и точных электронных датчиков уровня, служащих основным измерительным средством. Различают датчики уровня для сигнализации достижения предельных или заданных значений уровня рабочей среды — датчики предельного уровня или сигнализаторы уровня, а также датчики для непрерывного измерения уровня — уровнемеры или преобразователи уровня. Первый тип устройств обычно характеризуется цифровым логическим выходом, выход уровнемеров может быть аналоговым или цифровым.

Цифровой или ШИМ-сигнал более предпочтителен, чем аналоговый, который чувствителен к шумам. Цифровые сигналы могут быть переданы посредством разнообразных протоколов: проводных (RS-232 Hart, Honeywell DE, Profibus) и беспроводных. В настоящее время технологии передачи сигналов от промышленных датчиков бурно развиваются, и при развертывании сенсорной сети предприятия соответствующие возможности подключения открываются и для датчиков уровня. Выбор того или иного интерфейса зависит от решаемой задачи и от требований совместимости с системой управления. Имеется много других критериев выбора для совместимости с системой — физический интерфейс, опции монтажа, интерфейс питания. Но самый главный вопрос при решении задач измерения уровня, на который необходимо ответить специалистам, состоит в следующем: совместим ли физический принцип работы датчика с решаемой задачей измерения? Поэтому вначале рассмотрим принципы работы и очертим границы применимости датчиков уровня, использующих различные физические принципы измерения.

Сравнительный анализ различных методов измерения уровня

Кондуктивные датчики уровня

Кондуктивные (кондуктометрические) датчики уровня применяют для контроля (сигнализации) предельного уровня электропроводящих жидкостей и сыпучих материалов с уровнем проводимости от 0,1 мкСм/см. К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, водные растворы солей, вода, молоко и т. п. Простейший кондуктометрический сигнализатор уровня представляет собой два электрода (одним из них может быть стенка резервуара), между которыми измеряется сопротивление. Но такой метод требует заземления металлического резервуара. Часто используют также пробы с двумя электродами и электрической схемой для подачи напряжения, но они подходят только для детектирования уровня в определенных точках или на границе раздела проводящей и непроводящей сред, где по достижении установленного значения сопротивления/проводимости срабатывает выходной ключ. На практике кондуктивные датчики могут быть снабжены электродами в количестве от двух до пяти для сигнализации двух — пяти уровней.

Ротационные (флажковые) датчики уровня

В датчиках электромеханического типа (Paddlewheel-Level Sensor) измерительная лопасть (как правило, выполненная в форме «флажка» для облегчения монтажа датчика в технологическое отверстие в стенке или крышке резервуара) приводится в действие электромотором. При увеличении уровня материала увеличивается механическая нагрузка на лопасть. Возникает реактивный момент, который используется для воздействия на механический выключатель, в результате чего вращение мотора прекращается, и замыкаются исполнительные контакты реле. Возникновение реактивного момента сопровождается ростом тока, потребляемого электромотором. В более совершенных моделях именно изменение тока является управляющим сигналом для остановки мотора и формирования электронного или релейного выходного сигнала. При снижении уровня материала лопасть освобождается, и двигатель снова приводится в исходное состояние. 

Лотовые датчики уровня

Лотовые датчики представляют собой электромеханические преобразователи уровня, в которых чувствительный груз (лот) закреплен на конце троса или ленты, намотанных на барабан (катушку), расположенный в корпусе датчика. Датчик устанавливается на верхней крышке емкости. Электродвигатель вращает катушку с тросом, в результате чего груз движется к нижнему уровню емкости. Как только чувствительный груз достигнет поверхности материала, изменится натяжение троса, что будет отслежено контролирующей электроникой. Направление вращения затем изменится на противоположное, и трос вновь намотается на барабан. Число оборотов катушки с тросом отлеживается микроэлектроникой и переводится в значение уровня. 

Вибрационные датчики уровня

Вибрационный сигнализатор уровня является надежным и не нуждающимся в обслуживании прибором для контроля уровня жидкости и сыпучих материалов. Вибрационный зонд, выполненный в виде вилки или одновибратора круглого или ромбического сечения, механически соединенный с пьезоэлектрическим элементом, вибрирует на резонансной частоте пьезоэлемента. При достижении жидкостью или сыпучим материалом зонда происходит поглощение механических колебаний, что регистрируется электроникой датчика и приводит к формированию выходного сигнала. Понижение уровня материала освобождает зонд, что вновь приводит к изменению состояния выходного ключа.

Оптические датчики уровня

Оптические датчики уровня применяютсядля сигнализации предельного уровня жидкостей. Принцип действия оптических сигнализаторов уровня основан на изменении коэффициента преломления оптического излучения на границе перехода двух сред.

Одна из сред — линза самого датчика, а вторая — непосредственно окружающая среда, которая может быть воздушной (в случае, когда уровень жидкости ниже чувствительной поверхности датчика) и жидкостной(при достижении определенного уровня жидкости). Датчик состоит из источника оптического излучения и фотоприемника, которые находятся в одном корпусе. Как правило, в качестве источника оптического излучения используется инфракрасный светодиод. Когда линза датчика соприкасается с воздухом, инфракрасное излучение светодиода отражается от внутренней поверхности линзы датчика и попадает в область фотоприемника, расположенного внутри устройства, который регистрирует наличие излучения. При погружении линзы в жидкость условия для отражения света изменяются, и он уже по большей части не отражается, а проходит сквозь линзу, рассеиваясь в жидкости. На выходе приемника электрическая схема производит обработку сигнала и преобразует его в выходной цифровой сигнал или в сигнал логического уровня.
Температура ограничена +120 °C, метод также не рекомендуется для чистых жидкостей.

Гидростатические датчики уровня

Гидростатические датчики уровня могут применяться как в качестве сигнализаторов уровня, так и в качестве преобразователей уровня жидких веществ. В них обычно используется метод измерения, основанный на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара или бункера. Тот же принцип может быть расширен и для измерения уровня сыпучих продуктов или твердых материалов посредством определения давления, оказываемого на дно бункера.

Величина гидростатического давления на дно резервуара зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором и от плотности жидкости. Принцип действия: преобразование деформации упругого чувствительного элемента под воздействием гидростатического давления в токовый сигнал. Гидростатические сигнализаторы уровня — это датчики избыточного давления, поэтому необходима связь датчика с атмосферой. В случае использования «погружных» сигнализаторов уровня необходимо обеспечить вывод атмосферной трубки за пределы резервуара. При монтаже гидростатических сигнализаторов уровня необходимо учитывать, что при закачивании материала струя жидкости может вызывать избыточное давление, что приведет к ложному срабатыванию, поэтому следует располагать датчики максимально удаленно от зоны турбулентности.

Ультразвуковые датчики уровня

Ультразвуковые датчики — это бесконтактные датчики уровня непрерывного действия, которые обычно используют явление отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела сред газ–вещество в твердой или жидкой фазе и применяются для преобразования уровня твердых и жидких веществ. Электронный блок ультразвукового уровнемера измеряет время прохождения излученного ультразвукового импульса от датчика до границы раздела сред и обратно. Чем выше уровень в емкости или силосе, тем меньше время прохождения импульса от датчика до материала и обратно. Так как скорость распространения звука в воздухе составляет 331 м/с, а измеряемые уровни не превышают 70 м, то измерение уровня можно проводить ежесекундно.

Установка ультразвукового уровнемера производится вертикально сверху или под небольшим углом в зависимости от профиля измеряемой поверхности. Диапазон измерения уровня — до 60 м с точностью до 0,25%. Простейшие модели используются только в качестве сигнализаторов уровня, а более дорогие позволяют измерять уровни даже в точках. Температура процесса не должна превышать +150 °C. Необходимо также учитывать следующее:

• Скорость распространения волн зависит от температуры, поэтому необходим встроенный датчик температуры.
• Присутствие частиц в среде может вызвать поглощение звуковых волн и исказить измерения.
• Сбои могут быть обусловлены турбулентностью жидкости.

Микроволновые радарные уровнемеры

Микроволновые радарные уровнемеры — универсальные приборы непрерывного измерения уровня твердых и жидких веществ, которые по принципу работы аналогичны ультразвуковым и используют тот же принцип отражения волн от границы раздела сред и вычисление времени «полета» волны. Отличие заключается в том, что ультразвуковые датчики уровня работают в диапазоне излучения 20–50 кГц (звуковые — на частотах менее 10 кГц), а микроволновые радарные датчики используют частоты 6–95 ГГц. Радарный датчик уровня построен по принципу радиолокатора, что позволяет минимизировать влияние паразитных помех и помех, связанных с неровностью измеряемой поверхности. Так же, как и ультразвуковые, радарные уровнемеры не имеют контакта с измеряемым объектом, но, в отличие от ультразвуковых, обладают намного меньшей чувствительностью к влиянию температуры и давления в рабочей емкости, а также их изменению.

Выбор метода

Обзор методов измерения уровня еще не заканчивается, но для клиента уже настало время задаться вопросом, какой из способов оптимально подходит для его применения. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вначале дать полную характеристику материалов и сред процесса, начиная от типа (жидкость, гранулы, порошок) и целей измерения, до определения их диэлектрической проницаемости, проводимости, вязкости, плотности. Необходимо определить пределы рабочей температуры процесса и давления, наличие турбулентности жидкости. Важно также учесть материал сосуда (металлический, неметаллический); среду, с которой контактирует измеряемый материал или вещество (воздух или другая среда); наличие в средах посторонних частиц; определить требуемый уровень исполнения датчика (стандартный взрывозащищенный, водонепроницаемый, коррозионно-стойкий или др.). Наконец, требуется установить, каковы предельные значения измеряемых уровней (например, 10 мм, 2 м).

Пока ответы на эти вопросы еще не даны, читателю предлагается ознакомиться с несколькими простыми решениями, которые, возможно, являются подходящими.

Емкостные датчики уровня

Работа емкостных датчиков уровня основана на различии диэлектрической проницаемости материала измерения и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод, расположенный в корпусе датчика. Электрод вместе с корпусом образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня материала, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости материала. Изменение этой емкости описывается известной формулой:

С = КА/D, (1)

где А — площадь электрода; D — расстояние между электродами; К — диэлектрическая проницаемость материала между электродами.

Как следует из (1), при неизменной геометрии электродов датчика уровня изменение диэлектрической проницаемости вызывает линейное изменение емкости. Данный факт позволяет не только использовать емкостные датчики уровня для решения задач измерения уровня, но и правильно выбирать схему установки емкостных датчиков для определения уровня различных материалов. Способность емкостных датчиков обнаруживать вещества, диэлектрическая проницаемость которых отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, определяет их широкий спектр применения в различных отраслях народного хозяйства.

Поплавковые датчики уровня

Поплавковые датчики уровня находят свое применение в процессах, где требуется контроль уровня жидкостей. Поплавковые сигнализаторы — самый простой элемент автоматизации управления уровнем. Вместе с тем сегодня это самый надежный и экономически выгодный способ сигнализации уровня различных жидкостей: от дистиллированной воды до агрессивных материалов и взвесей. Существует множество классификаций видов и подвидов поплавковых сигнализаторов уровня, но основополагающий принцип их работы основан на действии выталкивающей силы на поплавок малой массы, объемная плотность которого меньше плотности контролируемой жидкости.

В большинстве случаев под определением «поплавковые датчики уровня» понимаются датчики, состоящие из корпуса поплавка, внутри которого встроен переключатель с жидкометаллическим контактом (ранее применялась ртуть, сейчас галинстан) и присоединительного кабеля. В качестве поплавков применяют преимущественно полые полипропиленовые шаровидные или сфероцилиндрические тела. Некоторые производители называют сигнализаторы по материалу корпуса, например «поплавковые сигнализаторы из полипропилена». Изменение положения поплавка относительно горизонтальной оси вызывает срабатывание жидкометаллического контакта выключателя. Выпускаются датчики, срабатывающие при опорожнении емкости, в этом случае контакт срабатывает при опускании поплавка относительно вертикальной оси. Существуют версии, срабатывающие при наполнении, в этом случае срабатывание происходит, когда поплавок поднимается относительно горизонтальной оси.

В последнее время появилось множество новых разработок бесконтактных выключателей примером которых являются магниточувствительные сигнализаторы и уровнемеры. Магнитные сигнализаторы предельного уровня состоят из поплавка со встроенным магнитом, направляющей, присоединительного кабеля и схемы индикации (при необходимости). Поплавок со встроенным магнитом перемещается под воздействием гидростатической выталкивающей силы по направляющей трубке, вызывая, например, поочередное замыкание магниточувствительных герконовых контактов, расположенных внутри направляющей трубки. Число герконов и соответственно число контролируемых уровней может достигать семи и более.

Разработки датчиков уровня от «TEKO»

Несмотря на такой широкий ассортимент типов сигнализаторов уровня и то, что за последнее десятилетие этот арсенал средств измерения пополнился новыми разработками, мировыми лидерами по применению остаются поплавковые и емкостные датчики уровня. По данным различных источников, их суммарная доля среди всего разнообразия подобных датчиков составляет 40%. При этом 25% от всех типов приходится на поплавковые магниточувствительные датчики, 15% — на емкостные. Что не удивительно: 80% задач по измерению уровня приходится на измерение уровня жидкости, а поплавковые магниточувствительные датчики здесь самые надежные по причине простоты конструкции, достаточно точные (±1 мм) и при этом экономически целесообразны. 
НПК «ТЕКО» на протяжении более 25 лет специализируется на разработке и производстве именно магниточувствительных поплавковых и емкостных датчиков уровня.

Емкостные датчики «ТЕКО»

Емкостные датчики для пороговых измерений выпускаются как в общепромышленном исполнении, так и в особо взрывоопасном. Взрывобезопасные датчики разработаны и изготовлены в соответствии с нормами безопасности средств контроля и автоматизации в химической промышленности (серия Namur). Датчики изготавливаются с использованием метода «искробезопасная электрическая цепь», предотвращающего выделение электрической и тепловой энергии во взрывоопасную среду. Датчики уровня НПК «ТЕКО» серии Namur имеют маркировку взрывозащиты 0ExaIICT6, 0ExaIICT4 в соответствии с ГОСТ Р 51330.0-99. Они применяются совместно с блоками сопряжения Namur с барьером искрозащиты (например, BC N1-1E-AE-AC220)производства НПК «ТЕКО».

К вопросу о дальнейших критериях для выбора — заказчику предоставлена возможность подготовить спецификацию применения, указав в ней требования к исполнению, электрическому интерфейсу питания и выхода, механическому интерфейсу (опции монтажа).

Например, по требованию заказчика емкостные датчики уровня могут быть изготовлены с учетом требований к условиям эксплуатации:

• низкотемпературного исполнения (–45…+65 °С);
• высокотемпературного исполнения (–15…+105 °С);
• тропического исполнения;
• помехозащищенного исполнения;
• вибростойкого исполнения.

Возможны также исполнения с учетом других условий эксплуатации или их комбинаций.

Емкостные датчики предельного уровня производства НПК «ТЕКО» представлены изделиями типа CSN EC46B8-315, CSN EF46B8-31P, CSN E47,CSN E53, CSN WC83, CSN E86, CSN E87, CSN E88, CSN I06, CSN I71P, CSN CC84.

CSN E47S8 (на фото) предназначены для решения задач контроля уровня жидкостей в различных технологических процессах. Основные варианты применения — контроль порогового уровня (обычно нижнего или верхнего) жидкости в резервуарах, баках, емкостях, а также контроль наличия жидкости в трубе. Материалы, примененные в конструкции этого емкостного датчика уровня (корпус из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, чувствительная поверхность из фторопласта), позволяют использовать его в пищевой промышленности, что подтверждено санитарно-эпидемиологическим заключением № 77.МУ. 02.342.П. 000104.01.08 от 31.01.2008.

Датчик предельного уровня CSN E47S8можно применить для измерения уровня молока в танках, контроля уровня пива в баках, измерения уровня спирта в резервуарах, в системах водоподготовки и водоочистки, с его помощью можно отследить наполнение бака исходной водой и контролировать уровень очищенной либо умягченной воды. 
Учитывая свойства конструкционных материалов датчика, возможно его применение для контроля уровня химически агрессивных жидкостей: растворов щелочей, кислот, растворителей, смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в станках, автоматических линиях, накопительных баках и пр.

CSN EF46B8-31P предназначены для контроля уровней жидкости, сыпучих материалов и смесей. Они прекрасно зарекомендовали себя при контроле уровня нефтепродуктов (дизтоплива, керосина и пр.). Устанавливаются в резервуары с избыточным давлением до 0,15 МПа. Устройства выпускаются также во взрывобезопасной модификации.

Емкостные датчики уровня типаCSN EC46B8-315 и CSN EF46B8-31P характеризуются встроенной задержкой срабатывания 2±0,5 с.

CSN E53 — стандартный емкостный датчик уровня с простым уплотнением и фторопластовым корпусом, исключающим налипание материалов с высокой тиксотропностью (свойством повышения текучести/уменьшения вязкости материала при его перемешивании).

CSN WC83 — емкостный датчик контроля уровня жидкости, находящейся под давлением до 20 МПа.

CSN E86, CSN E87, CSN E88 — емкостные датчики уровня комбикорма. Изготавливаются в неразборных герметичных пластиковых корпусах. CSN E87 и CSN E88 имеют встроенную регулировку задержки срабатывания (отключения), а CSN E88 снабжен гальванически развязанными, переключающими контактами реле, обеспечивающими коммутацию нагрузки 220 В/8 А.

CSN I06 — оптимальное решение для контроля уровня в отводных трубках (там, где нельзя датчик уровня врезать в резервуар). Прекрасно подходит для контроля высева семян на с/х оборудовании.

CSN I71P — емкостные датчики со сферической чувствительной поверхностью, препятствующей скоплению сыпучего материала. Датчики применяются для контроля заштыбовки перегрузочных течек конвейеров при транспортировке угля и различных твердых материалов. Датчик может быть использован для контроля уровня и наличия сыпучих материалов (отсев, песок, цемент, строительные смеси и т. д.) на другом оборудовании и производствах. Сферическая чувствительная поверхность из фторопласта исключает налипание контролируемого материала.

CSN CC84 — погружной датчик уровня, предназначенный для установки и эксплуа-тации в обычных условиях и в местах, где смеси с воздухом горючих газов, паров или пыли способны взрываться при наличии источника поджигания. Он относится к особо взрывобезопасному электрооборудованию, может применяться во взрывоопасных зонах. Датчик предназначен для работы в составе оборудования для пищевой и перерабатывающей промышленности, может работать в контакте с пищевыми продуктами и средами. Применяется для контроля уровня заполнения силосов мукой, зерном, комбикормом и пр. на мельницах, элеваторах, комбинатах хлебопродуктов.

Кроме сигнализаторов, компанией «ТЕКО» разработаны также датчики непрерывных измерений, например CSA EС49(на фото). Хотя данное устройство и не имеет прямого отношения к теме статьи, оно показывает, что на основе датчиков «ТЕКО» могут быть получены решения не только для самых простых, но и для более сложных задач.

Магниточувствительные датчики

• до семи контролируемых уровней;
• минимальный контролируемый уровень 25 мм, максимальный — 1500 мм;
• индикацию трех уровней;
• минимальное расстояние между соседними уровнями 40 мм;
• точность позиционирования ±5 мм;
• коммутируемое напряжение — 10–30 В DC при токе 0,01–0,5 А;
• коммутируемое напряжение — 12–250 В АС/DC при токе 0,01–3 А.

Заключение

Рассмотренные в данной статье датчики уровня являются начальной, но необходимой и важной ступенью автоматизации систем измерения и поддержания уровня. Правильный подбор физического принципа действия датчика, гарантирующего точную, надежную, стабильную работу сигнализатора в реальных промышленных условиях, является залогом стабильности функционирования всего технологического процесса и качества готового продукта.

Но, помимо совместимости физического принципа, важны и другие критерии выбора датчиков уровня, которые должны быть учтены: электрический, механический интерфейс, надежность, системная цена, доступность. Одна из имеющихся возможностей получить уникальное и недорогое решение для своей задачи посредством стандартных измерительных технологий, реализованных российским производителем, была показана в данной статье.

Юрий Лявин