Сигнализаторы уровня: основные типы и рекомендации по выбору датчиков.
Сигнализация достижения определенных значений уровня в промышленных емкостях без постоянного непрерывного контроля, является стандартной, широко распространенной задачей. Существует широкий ряд общепромышленных датчиков разных типов как отечественного, так и импортного производства. В России подобные датчики называются реле уровня или датчиками-реле уровня. В зарубежной (англоязычной) литературе как правило употребляется термин «level limit switch» (предельный выключатель уровня).
| Датчики-реле РОС-301 |
Наиболее простыми и дешевыми приборами данного типа являются кондуктометрические датчики уровня. Они применимы для электропроводных жидкостей (более 0,2 См/м), таких как вода питьевая и технологическая, слабые растворы кислот, щелочей, стоки, большинство пищевых жидкостей, таких как пиво, квас и т.п. Принцип работы заключается в замыкании рабочей жидкостью (по достижении нужного уровня) чувствительного элемента (электрода) на корпус металлической емкости или на специальный дополнительный электрод. При этом возникает электрический ток, вызывающий срабатывание выходного реле и замыкание коммутируемой цепи.
Применимость кондуктометрических датчиков по условиям давления и температуры рабочего процесса в емкости находится в пределах 350°С и 6,3 МПа (как правило для стандартных исполнений 200 гр.С и 2,5 МПа) и определяется материалом изолятора электрода. Ограничения на применение данного типа датчиков могут накладывать такие свойства рабочей среды как сильное парение рабочей среды, сильное вспенивание, образование проводящих отложений на изоляторе или изолирующих отложений на чувствительном элементе.
Примерами кондуктометрических сигнализаторов являются: РОС-301, ЭРСУ, САУ-М6, СУ-300И.
| Датчики РОС-101 разных конструктивных исполнений |
Емкостные датчики широко распространены и используются для определения наличия рабочей среды: как жидкой, так и сыпучей (порошки, цемент, гранулированные продукты), как электропроводной, так и неэлектропроводной. (Массовым применением емкостных датчиков, также, является детектирование наличия объектов, например при счете единиц продукции). Принцип действия датчиков основывается на изменении электрической емкости чувствительного элемента (ЧЭ) при контакте с рабочей средой. Пока ЧЭ не контактирует с рабочей средой электрическая емкость конденсатора, образованного частями ЧЭ или ЧЭ и стенками резервуара определяется диэлектрической постоянной воздушной среды (DK=1). При контакте электрическая емкость увеличивается, что приводит к увеличению частоты электрических колебаний в цепи и формированию сигнала преобразуемого в дальнейшем в срабатывание выходного реле.
Емкостные датчики отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений для конкретных применений, могут быть стержневого, трубчатого типов, гибкие, тросовые и т.п. При выборе типа датчика должны учитываться в первую очередь, как состав контролируемой среды, так и ее диэлектрические свойства. Для датчиков работающих в проводящей среде необходимо выбирать конструкцию с изолированным электродом.
Распространенными моделями емкостных датчиков являются РОС-101, РОС-102, ЕС (в составе прибора СУ200И), СУ500, СУ-100, ВБ1.
| Поплавковый датчик-реле уровня РОС-400-6 |
Функции датчика уровня может выполнять уровнемер типа РИС-101М1 стандартно обладающий возможностью задания до четырех уставок по диапазону измерения.
Поплавковые датчики уровня отличаются простотой и универсальностью. В простейшем варианте состоят из поплавка соединенного с механизмом переключения контактов с помощью механической или магнитной связи. Могут устанавливаться как в стенку емкости – горизонтально, так и вертикально – с помощью направляющих. В силу принципа действия и отсутствия электронной части эти датчики устойчивы к неблагоприятным внешним воздействиям (могут использоваться при температурах окружающей среды: -60 °С…+70 °С). Поплавковые датчики с успехом применяются в емкостях, где есть волнение жидкости, турбулентность, вибрации, вспенивание, для контроля уровня таких сред как вода пресная и морская, дизтопливо, керосин, масла, пищевые продукты с плотностью 0,75..1,2 г/см³ при температурах до 200 °С, давлении до 9 атм.
| Датчик-реле уровня буйковый ДУЖЭ-200М |
Нерегулируемый дифференциал срабатывания как правило: 10…25 мм, нестабильность срабатывания: ± 3…5 мм. Распространенные приборы этого типа: датчики серий РОС-400, РОС-401, реле уровня ДРУ-1ПМ, многоточечные датчики СУГ-М.
Буйковые сигнализаторы уровня, такие как ДУЖЭ-200М, ДУЖП-200М, состоят из буйка подвешенного на тросе соединенном с управляющим магнитом и контактным механизмом. Погружение буйка в жидкость приводит к появлению выталкивающей архимедовой силы, изменению усилия на тросе и замыканию или размыканию контактов.
Данный тип Сигнализаторов уровня может использоваться при очень высоком давлении до 20 МПа. Плотность рабочей среды: 0,6..1,5 г/см³, температура рабочей среды: -55 °С…+200 °С.
ДУЖЭ-200М имеют взрывозащиту «взрывонепроницаемая оболочка» и применяются, как правило, для контроля уровня агрессивных, взрывоопасных, легковоспламеняющихся жидкостей, а также сжиженных газов.
Датчики уровня по давлению (в качестве примера рассмотрим датчик-реле РО-1) устанавливаются на трубе опускаемой в жидкость и реагируют на изменение уровня через изменение давления запертого в трубе воздуха, являясь, по сути, реле давления. Когда труба погружается в рабочую среду на воздух, находящийся в ней, начинает действовать давление столба жидкости. При достижении заданного значения мембрана приводит в действие контактный механизм. Важным преимуществом такого датчика является отсутствие прямого контакта со средой и, следовательно, нечувствительность к таким свойствам жидкости как повышенная вязкость, неоднородность, химическая активность. Датчик настраивается на определенные точки срабатывания из стандартного ряда: 100, 180, 250, 340 мм. вод. ст. Точность срабатывания ±15 мм относительно заданного уровня.
| Датчик-реле уровня РО-1 |
Вибрационные сигнализаторы уровня широко распространены за рубежом и, в меньшей степени, в России и странах СНГ. Чувствительный элемент вибрационного сигнализатора, не будучи погружен в рабочую среду, совершает механические колебания на резонансной частоте возбуждаемые пьезоэлектрическим генератором. Погружение в рабочую среду – жидкость или сыпучий продукт приводит к изменению частоты колебаний, изменению электрических параметров цепи и преобразуется в дискретный выходной сигнал.
| Вибрационный сигнализатор FTL 330(производства Endress+Hauser) |
Вибрационные сигнализаторы мало зависят от физических свойств среды, могут работать в негомогенных, пенящихся, парящих, загазованных средах. Диапазон применимости датчиков по температуре -50°С..+250°С, давлению – до 64 атм., плотность рабочей среды –в пределах 0,5-2,5 г/см³. Датчики обеспечивают точность срабатывания +/-1 мм. Помимо предельных выключателей уровня, характерно применение вибрационных сигнализаторов в качестве датчиков сухого хода в трубопроводах. Вибрационные сигнализаторы выпускаются в широком диапазоне исполнений, в том числе для пищевых производств, взрывоопасных условий, агрессивных сред.
Распространенными марками вибросигнализаторов являются серии OPTISWITCH фирмы Krohne , Liquiphant фирмы Endress+Hauser, Vibranivo фирмы UWT .
Ультразвуковые сигнализаторы реагируют на перекрытие продуктом линии распространения ультразвуковых колебаний. Чувствительный элемент представляет собой пару излучатель-приемник. Он может размещаться в емкости как горизонтально так вертикально. Электронный блок сигнализатора оценивает время распространения ультразвуковых волн и при нахождении отклонения замыкает или размыкает выходное реле. Погрешность срабатывания сигнализаторов типа УЗС составляет +/- 2 мм. (при вертикальной установке).
| Сигнализатор ультразвуковой УЗС-107 |
Ультразвуковые датчики отличаются надежностью и стабильностью рабочих характеристик. Могут использоваться при температурах до 250 °С, давлении до 16 бар. Ограничения на применение данного типа — те же, что и для всех контактных датчиков: налипание, образование отложений на ЧЭ, агрессивность рабочей среды по отношению к материалу ЧЭ (нержавеющая сталь) и т.п.
Популярные ультразвуковые сигнализаторы это – УЗС-10Х, УЗС-20Х, УЗС-3ХХ, УЗС-4ХХ, УЗР-1.
Роторные (флажковые) сигнализаторы применяются для контроля уровня сыпучих веществ, в первую очередь, в условиях высокой запыленности. Могут применяться в пищевых и взрывоопасных производствах для продуктов с плотностью не ниже 100 г/л, с размером гранул до 50 мм. Типичные применения: сигнализация уровня в емкостях с зерновыми, пищевыми порошкообразными продуктами, сахаром, цементом, комбикормами.
| Флажковый сигнализатор уровня RN-3001 (пр-ва UWT) |
Чувствительный элемент (лопатка) роторного сигнализатора приводится во вращательное движение синхронным электродвигателем, который закреплен на шарнире внутри корпуса и подпружинен. Фиксация лопатки материалом рабочей среды приводит к появлению крутящего момента на корпусе синхронного двигателя, сжатию пружины и замыканию выходных контактов микропереключателя с одновременным размыканием цепи двигателя. При освобождении лопатки при падении уровня среды ниже контролируемого пружина возвращает контакты микропереключателя в разомкнутое положение и вновь замыкает цепь двигателя.
В качестве примеров подобного оборудования приведем Soliswitch FTE фирмы Endress+Hauser, Rotonivo фирмы UWT .
Широкое разнообразие типов сигнализаторов уровня позволяет выбирать оптимальные решения для конкретных задач автоматизации. В данной статье дан обзор только основных наиболее распространенных типов.