Вибрационный датчик уровня, вибровилка

Поплавковые уровнемеры и поплавковые датчики уровня

Виды датчиков уровня
Конструктивные части поплавковых датчиков уровня и поплавковых уровнемеров могут быть механически или магнитно связаны, а так же, могут иметь одну и несколько точек измерения уровня. Индикаторы уровня содержат в своем составе измерительную шкалу.

Давление
Датчики уровня, используемые в торговых автоматах обычно ограничены давлением 0,69 МПа, тогда как радиоуправляемые уровнемеры могут использоваться при давлении 7 МПа, при этом специальные конструкции поплавковых уровнемеров используются при давлении до 14 МПа.

Температура
Стандартные поплавковые датчики уровня могут быть использованы для диапазона температур от -40 °С до +117 °С, специального исполнения до +260 °С и выше.

Материалы поплавка
Латунь, медь, нержавеющая сталь, Monel, Hastelloy, полисульфид, полипропилен, и другие пластмассы.

Погрешность измерения
Повторяемая погрешность составляет около 25 мм для поплавковых сигнализаторов и магнитоуправляемых, магнитных уровнемеров, что составляет около 1% полной шкалы.

Принцип действия

Глубина погружения идеального поплавка совпадает с расчетной глубиной погружения, но в реальных условиях эта глубина имеет некоторую погрешность, так как поплавок одновременно перемещает некоторые механические элементы датчика уровня.

В этой статье рассматриваются группы приборов, измерителей уровня в одной точке или как их называют, датчики уровня, сигнализаторы и измерители непрерывного уровня, назывемые уровнемеры, преобразователи уровня, индикаторы уровня, которые дают дискретные или непрерывные показания уровня. Эти приборы могут быть непосредственно погружены в измеряемую среду, а могут быть изолированы от нее. Устаревшие поплавковые датчики могли быть полностью погружены в измеряемую среду, в современных исполнениях используется магнитная связь поплавка с считывателем, таким образом прибор отделен от физического воздействия измеряемого процесса.

Поплавок в поплавковом датчике уровня или уровнемере следует за уровнем жидкости или уровню раздела сред для жидкостей с разной плотностью. Для понимания различия между поплавком и дисплейсером следует учитывать, что полавок следует за уровнем, а дисплейсер осуществляет еле заметное перемещение. Этот факт означает, что поплавковый датчик определяет уровень более точно, тогда как дисплейсер более точно определяет изменение плотности.

Обычные поплавки для монтажа на верхнюю часть резервуара имеют сферическую или цилиндрическую форму, сферическую или прямоугольную форму имеют поплавки уровнемеров для монтажа на боковую поверхность резервуаров. Сферические поплавки имеют диаметр от 76 до 178 мм. Поплавки с малым диаметром используются для измерений при высоком давлении, большего диаметра для измерения интерфейса жидкостей или для измерений в условиях не высоких давлений. Дополнительной причиной использования поплавков большого диаметра является необходимость взаимодействовать с различными механизмами и инструментами.

Поплавковый датчик уровня

 

На рисунке 3.8a изображен простой прибор, который используется для индикации уровня или дискретного переключения в резервуарах при атмосферном давлении и отстойниках. Шарообразный поплавок присоединен к штанге, движение которой используется для отображения на шкале или осуществляется вдоль переключателей нижнего или верхнего уровня, для включения сигнала тревоги или автоматического включения или отключения подающего насоса. Для некоторых случаев использования на насосах, поплавок и штанга могут входить в состав наноса и собраны вместе на предприятии изготовителе.

 

Рисунок 3.8 b иллюстрирует принцип действия пружинно нагруженного переключателя. Магнит и переключатель установлены на качающемся рычаге, который вращается на оси. Когда уровень жидкости повышается, поплавок поднимается вместе с ним, поднимается так же магнит. Когда магнит достигает верхнего положения, он притягивает магнит на качающемся рычаге через немагнитную стенку трубы, опрокидывая ртутный переключатель направо. Жесткость пружины выбирается из условия переключения при срабатывании. Когда переключатель наклоняется, цепь с середины налево разомкнута, и цепь с середины направо замкнута.

Магнитная связь, через изолирующую от процесса трубу, защищает элементы датчика уровня. Конструкция поворотного рычага позволяет управлять одним или несколькими сухими контактами. Когда задействованы два или более контактов, они должны быть расположены на расстоянии от 25 до 76 мм от друг друга. Недостаток этой конструкции поплавкового датчика уровня состоит в том, что изменение точки срабатывания или диапазона измерения требует значительных конструктивных и трудовых затрат.

 

Рисунок 3.8c показывает расширенные возможности поплавковых сигнализаторов для монтажа на верхнюю и боковую часть резервуаров. Точкой переключения сигнализатора уровня является подъем поплавка в патрубке сосуда. Эта напрямую соединенная с процессом конструкция датчика уровня требует остановки процесса и опустошения резервуара для установки датчика. Если это условие требует остановки производства или приводит к его приостановки, то используют внешнюю поплавковую камеру. Внешняя поплавковая камера может быть отсечена от технологического процесса вентилями, что позволяет производить установку датчика уровня без опорожнения сосуда, если местные условия безопасности позволяют сделать это.

Если температуры окружающей среды приводят измеряемую жидкость к замерзанию или превращения в гель, используется внешний подогрев поплавковой камеры.

 

Другой тип магнитного поплавкового датчика уровня показан на рисунке 3.8d. Когда уровень измеряемой жидкости повышается и поплавок движется вверх с этим уровнем, рычаг с магнитом движется вниз, притягивая магнит переключателя. Это движение изменяет состояние электрического или пневматического переключателя. Эта конструкция возможна в пластиковом корпусе, который позволяет избежать засорения датчика уровня отложениями и загрязнениями. Использование такой защиты приводит к уменьшению предельного давления и диапазона рабочих температур датчика уровня.

Датчики уровня с герконовыми переключателями

Некоторые ранее использующиеся датчики уровня с герконовыми переключателями имели большое количество движущихся частей, которые были потенциально ненадежными из-за коррозии и засорения. Рисунок 3.8e показывает конструкцию такого датчика на основе возвратно - поступательного механизма с пружиной и кулачковым механизмом. Здесь повышение уровня жидкости приводит к всплытию поплавка с одновременным вращением кулачка и возвратно - поступательного движения механизма. И как результат, переключатель меняет свое состояние.

 

Основная цель разного рода конструкций поплавкового датчика уровня состоит в создании датчика простой конструкции, вместе с тем хорошо противостоящем разного рода загрязнениям, которые препятствуют движению поплавка. По этой причине поплавковые датчики уровня в основном выполнены с одной движущейся частью, относительно большим поплавком и длинным рычагом для увеличения механического усилия.

 

Для недорогих машин розничной продажи напитков используются поплавковые датчики уровня, показанные на рисунке 3.8f. Эти датчики изготавливаются из полипропилена или полисульфона и используются при температурах от -40 °C до +107 °C и давлениях до 1,03 МПа

 

В другом датчике уровня, полностью выполненном из пластика, используемый в торговых автоматах, поплавок и герконовый переключатель собраны вместе и помещены в общий корпус, который погружен вертикально в измеряемый резервуар (рисунок 3.8g). Измеряемая жидкость заполняет корпус датчика уровня, поднимает поплавок с магнитом и переключает герметически выполненный герконовый переключатель в пределах корпуса.

Всегда рекомендуется проверять класс электрической нагрузки герконового переключателя. Датчики уровня, установленные в различных местах технологического процесса посредством кабельных линий значительной длины, а так же установленные в кабельные лотки, могут подвергаться воздействию индукционных токов и наведенных напряжений. В таких случаях необходимо использование устройства защиты от перенапряжения, потому что такие воздействия могут вывести из строя датчик уровня.

Конструкция поплавков и направляющих труб

 

Конструкция поплавка и направляющей трубы, изображенной на рисунке 3.8h представляет собой магнитно связанный поплавковый датчик уровня. В простейшем случае это герконовый переключатель который находится в изолированной, немагнитной направляющей трубе, в точке, где увеличение или уменьшение уровня жидкости вызывает срабатывание переключателя. Поплавок, содержащий круговой магнит, перемещается вслед за уровнем жидкости, и направляется благодаря трубе. В конструкции поплавкового датчика уровня, изображенного на рисунке 3.8h, переключатель нормально незамкнутый, и меняет свое состояние на замкнутое, когда поплавок достигает уровня переключателя.

Срабатывание переключателя датчика уровня может использоваться для подачи сигнала тревоги или запуска логической команды для запуска насоса. Переключатель вновь разомкнется, когда поплавок опустится или поднимется выше. В таком случае поплавковый датчик уровня не может определить был ли он замкнут подъемом или опусканием поплавка. В качестве решения можно использовать устройство ограничения подремать поплавка по высоте. При помощи такого устройства можно убедиться,что сигнализатор уровня замкнут всякий раз, когда уровень жидкости находиться на уровне срабатывания датчика или выше, и будет разомкнут при уровне ниже места установки датчика уровня. Несколько установленных на трубе поплавков с фиксацией позволяют создать поплавковый датчик уровня с переключением в нескольких, как правило, до 5 точек.

 

На рисунке 3.8i показана конструкция поплавкового датчика уровня в котором находятся два поплавка и два магнитных переключателя, датчик уровня используется для управления откачивающим насосом, который включается в верхнем уровне и выключается в нижнем. Когда уровень жидкости в отстойнике становится ниже уровня срабатывания нижнего переключателя LSL, оба переключателя LSL и LSH разомкнуты и реле R выключено. Если уровень в резервуаре поднимается выше LSL, это вызывает его срабатывание. При повышении уровня до LSH и его срабатывания, реле R включается, и контакты реле R1 и R2 замыкаются.

Контакт R1 является удерживающим контактом в точке уровне жидкости LSH, в то время как замыкание R2 приводит к включению насоса. Когда уровень жидкости понижается ниже LSH, датчик уровня размыкается, насос продолжает работать, так как до сих пор замкнутый R1 удерживает включенным реле R. Когда уровень жидкости падает ниже LSL, размыкание этого датчика уровня приводит к выключению реле, которое в свою очередь размыкает R1 и R2. В это точке насос останавливается и система возвращается в первоначальное состояние. Добавляя поплавки и переключатели в систему можно усложнить алгоритм управления насосом.

Поплавковые датчики уровня, срабатывающие от наклона

 

На рисунке 3.8j изображены две возможные конструкции датчика уровня, срабатывающего от наклона, верхняя конструкция работает для жидких материалов, нижняя - для сыпучих. В случае измерения уровня жидкости, ртутный переключатель, находящийся в пластмассовом корпусе, подвешивается на необходимом уровне. Когда жидкость достигает датчика уровня, она наклоняет его, и переключатель замыкает или размыкает электрическую цепь, которая включает сигнальное устройство или насос. Такое устройство поплавкового датчика уровня используется в прудах и отстойниках, его применение ограничено атмосферным давлением и температурой окружающей среды. При установке на открытом воздухе также нужно позаботиться о ветрозащите.

Вторая конструкция датчика уровня предназначена для определения наличия материала на конвейерной ленте. До тех пор, пока на конвейере есть материал, датчик уровня остается наклоненным. Если на ленте конвейера происходит задержка с питанием материалом, датчик возвращается в вертикальное положение и изменяет состояние электрических контактов, подавая сигнал тревоги, остановки конвейерной ленты или запускает другие автоматические действия. В датчиках уровня такой конструкции используется стальной шар. При изменении наклона датчика уровня шар воздействует на переключатель. Такая конструкция хорошо защищена от коррозии или воздействия давления.

Индикаторы, управляемые поплавком

 

Простейшим и вместе с тем прямым способом поплавкового измерения уровня изображен на рисунке 3.8k. Датчик уровня отображает посредством подвижной ленты уровень жидкости в резервуаре. Лента присоединена одним концом к поплавку в резервуаре, а другим к противовесу, тем самым удерживая ленту под постоянным натяжением. Поплавок перемещает противовес вверх или вниз перед шкалой, отображая там образом, уровень в резервуаре. Установка такого рода обычно используется для резервуаров с водой, но может быть так же использована для любой другой жидкости в резервуарах под атмосферным давлением. Поплавок и лента изготавливаются из материалов стойких к коррозии. Диапазон измерения задается длиной ленты, как правило, максимальная длина ленты 30 м.

Измерения уровня в сосудах под давлением

При использовании поплавковых датчиков уровня в резервуарах под давлением требуется изолировать поплавок, находящийся на стороне рабочего процесса от устройства переключения или индикации. В большинстве случаев для такой изоляции используется магнитная связь между двумя этими компонентами датчика уровня.

 

Когда нет возможности использовать внешний источник питания, поплавковый датчик уровня может быть исполнен в конструкции, изображенной на рисунке 3.8l для получения удаленной индикации.

Когда уровень в баке повышается, рычаг поплавка перемещает толкатель вниз, и перемещение рычагов через систему сильфонов и капиллярных трубок, перемещает индикаторную стрелку датчика уровня.

Такие поплавковые датчики уровня с капиллярными трубками могут оснащаться температурными компенсаторами колебаний температуры окружающей среды. Если пары измеряемой среды не корродируют медь и давление не превышает 0,1 МПа, сильфоны могут быть исключены из конструкции. Изоляцию от рабочего процесса используют при давлении до 1,4 МПа и необходимости исключить воздействие паров рабочего процесса. Сильфоны и другие смачиваемые части датчика уровня могут быть выполнены из нержавеющей стали, алюминия, резины и других материалов. Капиллярные трубки могут быть длиной до 76 м.

 

На рисунке 3.8m изображен другой простой индикатор уровня. Поплавок может быть непосредственно размещен в резервуаре или установлен внутри поплавковой камеры, снабженной изолирующими клапанами. Максимальный диапазон изменения уровня, при использовании стандартной шкалы расходомера составляет 381 мм. Это ограничивает применение такой конструкции в процессах с узким диапазоном изменения уровня. Другой вариант такого датчика уровня, используемая в масляных аккумуляторах тепла жилых помещений, совмещает поворотный и вращающийся рычаги для использования короткой индикаторной шкалы.

Материалом конструкции таких датчиков уровня может быть сталь или нержавеющая сталь, стеклянные трубки, для использования в безопасных и низкого давления случаях. В других случаях используют металлические трубы с магнитными связями для передачи информации на индикатор. Такие конструкции могут быть использованы при рабочих давлениях до 8 МПа и температурах до +427 °C. Поплавковые датчики уровня ротаметрического типа могут оснащаться местным индикатором и сигнализаторами верхнего и нижнего уровня, а так же электронными или пневматическими преобразователями.

Магнитоуправляемые датчики уровня

Поплавковый датчик уровня может выполнять задачу непрерывного измерения уровня жидкости, если герконовые переключатели будут расположены вдоль направляющей трубы, которые будет замыкаться или размыкаться проходящим в трубе поплавком с магнитом, как это изображено на рисунке 3.8n. В этой конструкции делитель напряжения, созданный с помощью соединенных последовательно резисторов R1, R2,…, Rn подключен к источнику питания. Так как резисторы имеют равное сопротивление, падение напряжения на каждом из них равно. Если магнит, находящийся в поплавке, закрывает третий сверху переключатель и напряжение между R2 и R3 будет приложено к R0, соответственно очень малый ток будет течь через амперметр. Если уровень жидкости будет продолжать падать, и замкнется четвертый переключатель, и противление R4 будет включено в цепь электрического тока, что приведет к уменьшению напряжения на сопротивлении R0.

 

Шкала амперметра может отображать уровень жидкости в процентах или инженерных единицах. Сопротивление R0 имеет достаточно большое сопротивление, так что протекающий через него ток имеет малое значение по сравнению с электрическим током, протекающим через весь делитель. Магнитные переключатели могут быть расположены на расстоянии не менее 5 мм, что является минимальным разрешением измерений для такого типа датчиков уровня. Как можно предположить, выход из строя любого из переключателей и его замена сопряжена с значительными трудностями, поэтому индикаторная рейка снабжена дублирующими переключателями, установленными в каждую точку измерения. Максимальная длина таких магнитоуправляемых датчиков уровня не превышает 5 м в случае изготовления поплавковой камеры из металла, а так же может изготавливаться секционная поплавковая камера. Возможна так же конструкция датчика уровня, выполненная из пластика, помещенный в армированную трубу. Электрическое питание может осуществляться от солнечных батарей.

 

На рисунке 3.8o показано как магнитно сопряженный поплавок и конструктивно сопряженная поплавковая камера может быть использована для прямого измерения или передачи показаний на индикатор часового типа. Конструктивно этот поплавковый датчик уровня не отличается от предыдущих, за исключением того, что что магнит используется для перемещения сопряженного с ним штока. При увеличении уровня жидкости в резервуаре шток выдвигается за пределы резервуара, и отображает повышение уровня. Когда задача измерения выполнена, измерительный шток может быть убран внутрь резервуара. Такая конструкция может быть использована для измерения уровня в транспортных цистернах.

Имея правильные геометрические размеры, такая измерительная система может быть установлена снизу резервуара, так что считывание показаний поплавкового уровнемера может производиться снизу. Как показано на правой стороне рисунка 3.8o эта конструкция возможна с прямым измерением при помощью индикаторной ленты. Такая конструкция исключает необходимость подъема оператора на верх резервуара. Недостатком этой конструкции является то, что при разрыве трубы, содержащей измерительную ленту, невозможно применить систему защиты от утечек измеряемого продукта.

Еще один конструкция магнитоуправляемого поплавкового уровнемера показана на рисунке 3.8p. Это уровнемер устанавливается на большинстве стационарных и передвижных резервуаров для хранения сжиженного или природного газа и безводного аммиака Вертикальное перемещение поплавка преобразуется во вращательное движение посредством передаточного механизма и вращения осей. Центральная ось, вращаясь, перемещает постоянный магнит за цифровой шкалой. При этом нет никаких отверстий или соединений в корпусе прибора, так как связь между указателем циферблата и центральной осью осуществляется только магнитным способом. Магнитная связь, осуществляемая в этом приборе гарантирует полную изоляцию указателя уровнемера от измеряемого процесса и может применяться при давлении до 6,9 МПа.

 

Шкала указателя такого поплавкового уровнемера может быть откалибрована для горизонтальных, вертикальных и сферических резервуаров, и для хорошей видимости показателей может иметь диаметр до 203 мм. Рисунок 3.8p так же показывает возможное расположение шкалы указателя, на верхней или боковой части резервуара. Стандартным материалом смачиваемых частей поплавкового уровнемера является нержавеющая сталь. Как и для большинства поплавковых индикаторов, возможно дистанционная передача значений шкалы прибора.

Для стандартного бензинового бака автомобиля датчик уровня представляет собой простой поплавок на рычаге. Рычаг, соединенный с поплавком поворачивает переменный резистор, который в свою очередь изменяет величину тока, протекающего через него, которая отображается на шкале приборной доски автомобиля.

 

Рисунок 3.8q показывает конструкцию индикатора уровня, использующего комбинацию направляющей трубки и магнитно соединенный с ней поплавковый датчик уровня. Такая конструкция поплавкового уровнемера позволяет применять его в резервуарах, где невозможно применить поплавковые датчики, которые используют вращение. По мере подъема поплавка, помещенного в трубу с направляющей, угловое положение поплавка изменяется в соответствии с положением поплавка. Вращение поплавка передается валу на котором расположен магнит, значение поворота передается стрелке, отображающей показания измеренного уровня на цифровой шкале. Такая конструкция поплавкового уровнемера применяться на транспортерах жидкостей. К ограничениям этой конструкции можно отнести невысокое избыточное давление измеряемой среды и невозможность применения в коррозионных средах.

Заключение

Поплавковые датчики уровня широко используются на промышленных предприятиях, предприятиях коммунального хозяйства, в очистных сооружениях, а так же для сигнализации предельных уровней. В некоторых случаях ограничение на применение поплавковых датчиков касается размеров поплавков, или передаточных механизмов, направляющих трубок. В других тот фактор, что на магнитный поплавок будут налипать магнитные частицы, содержащие железо, образующиеся как продукт износа движущихся частей датчика уровня или присутствующие в измеряемой среде. Эти налипания будут препятствовать работе датчика уровня.

Во всех областях применения измерительных приборов можно с уверенностью сказать, что мусор, грязь и налипания всегда скапливаются в неожиданных местах. Большинство поплавковых конструкций содержат в конструкции движущиеся части, подверженные воздействию рабочего процесса, и они не должны подвержены засорению или налипанию. Измерительные приборы, состоящие из сферических поплавков зарекомендовали себя как недорогой и надежный способ измерения уровня. Поэтому, они используются избирательно в промышленности и не менее широко за ее пределами.

Применение поплавковых датчиков уровня нашло себя в области защиты насосов и компрессоров для определения наличия или отсутствия жидкостей в трубопроводах и резервуарах. Пневматически управляемые датчики уровня хорошо зарекомендовали себя в случае затруднений с электрическим питанием или применении в взрывоопасной или пожароопасной зоне. Аварийные сигнализаторы уровня, работающие автономно и блокирующие переключатели применяются для дублирования систем защиты от переполнения и других задач безопасности технологических процессов. Большое количество производителей поплавковых датчиков уровня с разнообразными конструкциями позволяют сделать точный выбор датчика в каждом конкретном случае.

Поплавковый уровнемер, поплавковый датчик уровня