Как электроды показывают воду

УКУ-1 Устройство контроля уровня жидкости ЗАО ПО Спецавтоматика

Датчики уровня служат для контроля уровня жидкости в резервуарах и подачи сигналов о регулировании этого уровня.

Датчики уровня бывают:

По функциональному признаку приборы для измерения уровня делятся на:

уровнемеры — приборы, осуществляющие непрерывный контроль уровня;

сигнализаторы — приборы, дискретно реагирующие на один или несколько заданных уровней.

Электродный датчик уровня

Электродный датчик уровня используется для контроля уровня электропроводных жидкостей. Он имеет короткий 1 электрод и два длинных 2, 3, которые укреплены в коробке зажимов. Короткий электрод является контактом верхнего уровня жидкости, а длинный — нижнего уровня. Датчик соединяется проводами со станцией управления двигателем насоса. Когда вода касается короткого электрода, это приводит к отключению пускателя насоса. Снижение уровня воды, когда он становится ниже длинного электрода, дает команду на включение насоса.

Рисунок Схема электродного датчика уровня

Электроды датчика включены в цепь катушки промежуточного реле К, которое включается во вторичную обмотку понижающего трансформатора напряжением 12 В. При повышении уровня жидкости в резервуаре до уровня короткого электрода 1, образуется электрическая цепь: вторичная обмотка трансформатора — катушка реле К — электрод 1 — жидкость — электрод 2. Реле срабатывает и становится на самопитание через свой контакт К и электрод 3, при этом контакты 6 реле дают команду на отключение электродвигателя насоса. При снижении уровня жидкости, когда он становится ниже уровня электрода 3, реле отключается и включает электродвигатель насоса.

Поплавковый датчик уровня

Рис. Поплавковый датчик (реле) уровня

Измерение уровня вязких и неоднородных сред производится поплавковыми и буйковыми уровнемерами. Поплавковый датчик (реле) уровня применяется в отапливаемых помещениях для контроля уровня неагрессивных жидкостей. На рисунке показано схематическое устройство реле. В резервуар 10 погружается поплавок 1, подвешенный на гибком контакте через блок 3 и уравновешенный грузом 6. На контакте закреплены упоры 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 8. При поворотах коромысло замыкает соответственно контакты 7 или 9, включающие или отключающие электродвигатель насоса.

Разновидности датчиков уровня воды

В промышленных и бытовых условиях есть необходимость контролировать уровень жидкости в емкостях. Для этого используют специальные измерительные устройства — датчики уровня жидкости. Они могут быть контактными и бесконтактными. Оба варианта располагаются на заданной высоте емкости и, если вода поднимается выше установленной точки, срабатывает датчик, сигнализируя об этом пользователю. Бывает несколько типов приборов, которые отличаются функциональностью и принципом работы. В статье пойдет речь о разновидностях датчиков, контролирующих уровень воды. Также будет затронута тема, как сделать датчик уровня жидкости своими руками.

Классификация

Все выпускаемые датчики делятся на два класса: уровнемеры и сигнализаторы.

Задача первых — постоянное измерение уровня жидкости в настоящем времени. В их конструкции предусмотрены сенсоры, которые и принимают сигнал. Данные обрабатываются аналоговой или цифровой электронной схемой, входящей в состав датчика. Показатели выводятся на элементы индикации.

У сигнализаторов иная задача — они сигнализируют, когда уровень воды в емкости достиг заранее установленного значения. Такие датчики уровня жидкости, срабатывая, передают данные о прекращении подачи воды. Выходной сигнал в них — дискретный. Сигнализация — звуковая или световая.

Как измеряется уровень

Существует несколько методов измерения. Все зависит от того, какими свойствами обладает жидкость в резервуаре:

• Контактный. В этом случае датчик уровня напрямую взаимодействует с водой, находящейся в емкости.
• Бесконтактный. Без прямого контакта с жидкостью. Приборы этого типа используют для измерения уровня вязкой среды или обладающей агрессивными свойствами.

Контактные измерители устанавливают в саму емкость: на поверхности (поплавок), в глубине (манометры гидростатического образца) или крепят на стенку (пластинчатые). Бесконтактные датчики измерения уровня жидкости не должны соприкасаться с водой, поэтому их размещают таким образом, чтобы была возможность «наблюдать» за поверхностью среды.

Поплавковые измерители

Наиболее распространенные, при этом надежные и доступные измерительные приборы, выполненные в виде поплавка (более известны как ПДУ). В зависимости от конструкции бывают вертикальными и горизонтальными.

Вертикальный поплавковый датчик для измерения уровня воды называется так, потому что его шток расположен вертикально. В его корпусе находится магнит круглой формы. Шток — полая пластиковая трубка, внутри которой стоят герконы.

Поплавковые устройства размещают на поверхности измеряемой воды. Когда магнитное поле подходит к геркону, срабатывают контакты датчика — это и есть сигнал о том, что емкость заполнилась до обозначенного объема. Контактные пары можно последовательно соединить друг с другом, используя резисторы. Это даст возможность отслеживать уровень жидкости, опираясь на общее сопротивление цепи. Параметр стандартного сигнала в этом случае — 4–20 мА. Как правило, датчики уровня воды поплавкового типа применяются в резервуарах длиной до 3 м.

Даже если визуально измерители похожи, в них могут быть установлены разные электрические схемы с герконами. Датчики ставят на разных уровнях емкости, чтобы получать сигнал по мере наполнения. Встречаются линейные устройства, передающие сигнал непрерывно.

Не всегда можно реализовать поверхностную установку. В таких ситуациях применяют поплавковые датчики для измерения уровня жидкости, но горизонтального положения, которые крепят на стене. Магнит и поплавок располагаются на рычаге с шарниром, а геркон «прячут» в корпус. При повышении уровня жидкости начинает действовать магнит, подходя к контактам, что и приводит к срабатыванию датчика.

Схемы подключения реле контроля уровня PZ-818

Подбираемся к практической стороне вопроса.

Вот схема, приведенная на боковой стенке реле:

Схема реле на корпусе устройства

Как обычно, у меня несколько каверзных вопросов к тому, кто её рисовал:

1. Почему все клеммы хаотично разбросаны по схеме? Неужели нельзя было схематично изобразить корпус прибора и немного приблизиться к реальности?
2. Кто-нибудь объяснит мне, почему мощность резистора между клеммами 1 и 2 обозначена как 0,25 Вт, хотя в характеристиках указана потребляемая мощность прибора 1 Вт? Хотя, возможно, это не мощность – так схематично обозначена катушка условного реле. И куда дальше вниз уходят питающие провода?

Хватит придираться, рассмотрим объемную схему подключения:

Схема подключения реле уровня

Из этой схемы всё ясно-понятно. Были бы ещё номера клемм! Но они указаны на обычных принципиальных схемах. Вот схема для контроля наполнения:

Схема включения контроллера уровня для контроля процесса наполнения емкости

Распишу работу схемы.

Питание подается на клеммы 1 и 3. Причем, фазировка и полярность (если это будет постоянное напряжение) особой роли не играют. Но соблюдать их для порядка надо!

Клемма 7 – общая (входная) для внутреннего переключающего реле. Когда реле срабатывает (в данном случае – когда пришло время «наполнить бокалы»)), замыкается его нормально открытый контакт, и через клемму 9 фаза подается на катушку контактора. Контактор включается, и подает питание на насос.

К клеммам 10, 11, 12 подключены датчики соответственно минимального, максимального уровня, и датчик опорного уровня (общий). Их подключение хорошо показано на предыдущей схеме.

А вот схема для откачки (или дренажа, или опорожнения емкости):

Схема включения контроллера уровня для контроля процесса опустошения емкости

Найдите отличия! Оно всего одно – установлена перемычка между клеммами 4 и 6. Именно таким образом переключаются режимы заполнения / откачки. Необязательно для этого использовать перемычку – для оперативного переключения режимов может использоваться переключатель, контакт реле или даже выход контроллера.

Клеммы 2 и 5 не используются (их нет физически – зачем они тогда приведены на схеме?), а клемму 8 можно использовать для внешнего индикатора «Насос выключен».

Как выбрать измеритель

Разнообразные датчики применяются для отслеживания уровня воды и водных растворов, нефтепродуктов и смазочных материалов, пищевых напитков и соков. Если корпус устройства достаточно защищен или применяется бесконтактный замер, то можно отслеживать уровни щелочи, кислоты, вязкой или агрессивной среды. Один тип датчика может быть применен в разных условиях.

Для замера уровня воды и любых невязких жидкостей лучше пользоваться ультразвуковыми, поплавковыми, вибрационными, оптическими, емкостными и гидростатическими сигнализаторами и уровнемерами. Для кислотных растворов подойдут емкостные, вибрационные и герконовые устройства. Пенные и липкие среды удобно контролировать емкостными радиочастотными приборами. Если рабочая среда с высокой вязкостью, пользуются вибрационными или ультразвуковыми бесконтактными разновидностями.

Что и в какой последовательности нужно учитывать, чтобы выбрать конкретное устройство:

1. Состав и физико-химические свойства рабочей среды.
2. Особенности резервуара для хранения (объем, форма, из чего сделаны стенки). Есть датчики, подразумевающие врезку в стенки, но не каждая емкость подойдет для таких целей.
3. Требуется постоянный мониторинг или хватит сигнализации при достижении заданного уровня.
4. Будет ли интегрироваться прибор в общую систему контроля.

С бытовыми задачами успешно справляются энергонезависимые устройства, неприхотливые, надежные и долго служащие. Если цель — отследить уровень воды насоса, колодца, декоративного водоема или бассейна, подойдет поплавковый датчик. При необходимости постоянно замерять уровень воды в скважине, устанавливают уровнемеры гидростатического типа.

Назначение датчика уровня жидкости (электродного)

Датчик уровня кондуктометрический основное применение находит в определении предельных уровней, в приложениях с непрерывным контролем уровня его возможности серьезно ограничены. Решаемые задачи и приложения:

• Сигнализация и контроль предельных уровней в цистернах, баках, паровых котлах
• Слежение, управление уровнем проводящих жидкостей
• Определение межфазных уровней, границ раздела сред между проводящими и непроводящими жидкостями (например, между водой и топливом)
• Сепараторы (разделители) масел, топлива
• Управление насосами с целью регулирования уровня
• Агрессивные среды, водные растворы, щелочи
• Среды повышенной температуры и давления

Способы изготовления датчика уровня воды своими руками

Датчик замера уровня воды при необходимости можно сделать своими руками. Самодельный прибор проигрывает в плане точности современным выпускаемым устройствам, но обходится намного дешевле. Сборка:

• Берутся выпрямительные диоды, с них аккуратно спиливается верхняя колба и получается трубчатое соединение.
• Сверлом 1,5 мм в корпусе соединения проделывается отверстие.
• Берут проволоку и продевают ее во фторопластовую трубку (ее толщина должна равняться диаметру отверстия — 1,5 мм).
• Один вывод шнура запаивается, а второй заклеивается клеем. Образуется «петля».

Внутренний проводник можно увеличить в размерах. Готовое устройство соединяют со схемой и подключают к индикатору. Им может выступить стрелочный циферблат или компактный монитор.

Есть еще один способ сделать датчик уровня воды, например, для управления насосом. Так как в скважине, колодце или любом другом резервуаре вода накапливается, насос следует автоматизировать — сделать так, чтобы он сам выключался после заполнения. Собирается уровнемер из магнитного пускателя с катушкой на 220 В и двух герконов: минимальный идет на замыкание, максимальный — размыкание. Как это работает:

1. Набирается вода, в это время поднимается поплавок с магнитом.
2. Жидкость доходит до геркона, выставленного на максимальном уровне. Под воздействием магнитного поля он размыкается, отключается катушка пускателя и как итог — обесточивается двигатель насоса.
3. Действует это и в обратном порядке. В резервуаре кончается вода, в это время опускается поплавок и, когда он доходит до минимального уровня, контакты геркона замыкаются. Подается напряжение на катушку — включается насос.

Такой простой датчик может служить годами. Необходимые детали можно отыскать практически в любом городе, не говоря о Москве.

Реле уровня: что оно собой представляет

Если говорить о современных реле, то, по сути своей, они являются электронными. Чтобы справляться со своей задачей, эти устройства получают сигналы, исходящие от датчиков. Полученные импульсы обрабатываются в соответствии с определенным алгоритмом. В результате производится коммутация подключенных к релейным контактам исполнительных устройств. Это могут быть, например, электродвигатели насосов или электромагнитные клапаны.

Однако сила коммутируемого тока, как правило, не превосходит 10 А. Чтобы обеспечить возможность управления мощными устройствами, приходится прибегать к использованию магнитных пускателей. То есть реле уровня выдает сигнал на катушку пускателя. Тогда как его силовые контакты уже непосредственно управляют исполнительными элементами насосных установок.

Реле способны работать с различными видами датчиков. Это могут быть, в частности, датчики электродные и поплавковые, манометрические и радиоактивные и др. Однако к наиболее распространенным в быту относятся только две первые группы. О них-то мы и поговорим сегодня.

Больше информации о применении реле контроля уровня вы сможете узнать из следующего видеоматериала:

Ёмкостные уровнемеры для жидкости

Это уровнемеры, проводящие измерения электрической емкости конденсаторного преобразователя (образуется пластинами или стержнями, что вводится в жидкость), и преобразующие эти измерения в уровень жидкости.

Существуют разные конструкции емкостных уровнемеров, позволяющие измерять емкость электропроводных и неэлектропроводных жидкостей (к электропроводным относятся те, у которых удельное сопротивление меньше 106 Ом*м). В случае работы с электропроводными жидкостями один из пластинчатых или стержневых электродов изолируется, а для неэлектропроводных оба остаются без изоляции.

Принцип действия емкостного уровнемера

В конструкцию емкостного уровнемера входит два основных элемента. Это емкостной датчик в виде стержня или кабеля цилиндрической либо плоской формы и вторичный преобразователь. Основу прибора составляет чувствительный электрический конденсатор, четко фиксирующий все изменения в диэлектрической проницаемости среды. При соприкосновении с жидкостью определяется емкость конденсатора, связанная с нею величина уровня жидкости в емкости, а затем полученные значения преобразуются в выходной сигнал, который и передается на внешнее оборудование для контроля.

Весь принцип действия таких уровнемеров основан на том, что у жидкостей и газового пространства над ними разные электрические свойства. Чувствительные элементы, погруженные в жидкость, определяют емкость, а вторые обкладки, остающиеся «снаружи», так же делают замеры, и на основании этих сведений делаются выводы о высоте жидкостного столба.

Что касается системы электродов, то она может различаться в зависимости от модели. В большинстве случаев – это металлические плоские пластины либо полые цилиндры.

Конструкция и внутреннее устройство контроллера уровня F&F PZ-818

Вид лицевой панели управления я уже приводил, а вот вид сзади, со стороны крепления на ДИН-рейку:

Крепление корпуса на ДИН-рейку

Контакты реле контроля уровня сверху

1, 3 – питание, 4, 6 – входы управления режимом работы. Видно, что клемм 2 и 5 нет, но номера приведены…

Контакты реле контроля уровня снизу

7, 8, 9 – выводы внутреннего реле, 10, 11, 12 – клеммы для подключения датчиков.

Чтобы посмотреть устройство, вскрываем корпус прибора.

Внутреннее устройство реле контроля уровня

Он на защелках, поэтому разбирается с помощью маленькой шлицевой отвертки.

Вот как выглядит передняя панель в разобранном виде:

Реле уровня, вскрытая передняя панель

Видим три потенциометра по 100 кОм, и два прямоугольных светодиода (кстати, их тяжело засунуть обратно при сборке). Выходное реле имеет катушку на 12 В. Ток – до 8 А, как и было указано в характеристиках на PZ-818.

Эта же плата – со стороны пайки:

Внутренности автомата уровня – вид на силовые клеммы и пайку реле

Видны усиленные дорожки от реле к клеммам.

Смотрим на нижнюю плату. Клеммы датчиков (слева):

Клеммы для подключения датчиков уровня (щупов)

Сигнал, проходя входные делители, уходит на операционный усилитель, расположенный на главной плате. Кстати, изменив сопротивление этих резисторов, можно увеличить чувствительность устройства. Только неизвестно, что будет со стабильностью работы.

Теперь – цепи питания:

Схема питания, вид со стороны пайки

Справа – клеммы 1 и 3, далее гасящие цепи на RC-цепи, диодный мостик, и микросхема-преобразователь питания (конвертер с широким диапазоном входного напряжения) LNK306GN.

Далее – фототранзистор Cosmo KPC357NT, необходимый для гальванической развязки первичной и вторичной цепей питания.

Центральная плата, с двумя основными микросхемами

Вверху – операционный усилитель LM2902, на котором собран компаратор, работающий от датчиков. Внизу – контроллер PIC16F684, на котором работает программа автомата контроля уровня.

Вид с другой точки:

Вид на центральную плату и на клеммы

А теперь – обещанная

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:

• Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
• Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
• Системы водоснабжения и водоотведения;
• Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
• ЖКХ и сельское хозяйство;
• Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
• Фармацевтические компании.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.

Преимущества емкостных уровнемеров для жидких веществ

Емкостные датчики уровня для жидких веществ отличаются от других типов измерителей уровня такими достоинствами:

• Могут проводить замеры в емкостях с разными типами жидкостей, отличающихся не только по составу, но и по физическим свойствам (по температуре, плотности, степени электропроводности);
• Обеспечивают быстрый отклик, отличаются высокой чувствительностью к изменениям;
• Допускаются для работы с агрессивными, опасными жидкостями;
• Могут работать даже в вакууме, то есть широкий диапазон давления жидкости в емкости не будет препятствием для проведения измерений;
• В конструкции нет подвижных элементов, что обеспечивает надежность, безопасность и долговечность эксплуатации.

Однако поправку чувствительности придется производить под каждый новый вид продукта. Кроме того, для работы с вязкими, кристаллизующимися и взрывоопасными жидкостями такие устройства не подходят (они чувствительны к налипаниям на зонд).

Вибрационные реле уровня

Вибрационные реле уровня очень чувствительны и удобны для легких материалов. Этот тип реле устанавливается на боковой стенке емкости на внешней стороне или устанавливается в верхней части емкости на удлинительной трубе. Реле уровня с чувствительной вилкой имеет пъезоэлектрический кристалл, который заставляет вибрировать вилку на ее собственной частоте. При увеличении высоты материала вилка приходит в контакт с материалом, демпфирующим вибрацию и активирующем реле. Когда уровень материала уменьшается, вилка становится свободной от материала и реле возвращается в нормальное состояние.

Реле уровня с чувствительной вилкой серии TFLS

производится компанией Proximity Control. Серия имеет универсальное питание, внешнюю индикацию переключения, настраиваемую чувствительность и отказоустойчивой настройкой.

Вибрационные реле не нуждаются в калибровке для диэлектрической проницаемости или плотности сыпучего материала, делая легкой установку и настройку. Они идеальны для легких порошков, давая чувствительность для материалов с более низкой плотностью по сравнению с другими технологиями. Снижение по плотности до 30 г/л.

Устройство неудобно для материалов, образующих покрытие. Датчик может физически повреждаться и в результате устройство не работает и эта технология наиболее дорогая.

Это простое руководство для выбора правильной технологии, зависящей от многих факторов, включая свойства материала: текучестью, абразивностью, химической совместимостью, температурой, размером частиц, липкостью и т.д.; и свойствами приложений: необходимость учета окружающей среды (например, взрывоопасностью), давлением в емкости, расположением датчика и т.д. Проконсультируйтесь со специалистом, если Вам нужна более подробная информация для помощи в выборе устройства для специального приложения.

Мы предлагаем только прямые поставки контрольно-измерительных приборов с завода Dwyer. Список и описание продукции полностью соответствует печатному каталогу и оригинальному сайту компании-изготовителя. Поделитесь с коллегами ссылкой на эти приборы, нажмите на кнопку социальной сети:

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость преобразователя, которая зависит от уровня, рассчитывают по формуле

Спр = Си + С1С2/(С1 + С2), где:

• С1 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности электрода и электропроводной жидкости;
• С2 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности жидкости (размещается там же, где и обкладка С1) и на поверхности емкости (резервуара или бака);
• Си – емкость проходного изолятора.

Всегда учитывают, что при увеличении высоты жидкости С1 и С2 растут, поскольку увеличивается площадь обкладки.

Ротационное реле уровня с лопаткой

Реле уровня с лопаткой является наиболее обычным способом для определения уровня порошка и других объемных материалов. Этот тип реле также устанавливается на боковой стороне емкости с внешней стороны с использованием фланца или устанавливается в верхней части емкости на удлинителе. Эти устройства имеют двигатель, который вращает лопатку внутри емкости. При увеличении высоты материала лопатка закрывается материалом и она прекращает вращаться, происходит отключение двигателя и активируется реле. Когда уровень материала уменьшается и лопатка освобождается, пружина опять запускает двигатель и реле возвращается в нормальное состояние.

Серия реле уровня с лопаткой PLS

выпускается компанией Proximity Control. Эта серия имеет встроенную магнитную муфту, которая уплотняет отсек с электрической схемой от материала процесса, уменьшая необходимость в обслуживании и увеличивая надежность. Также магнитный привод создает немеханический захват со скольжением, что предотвращает повреждение двигателя и приводного механизма от внезапной или излишней нагрузки на лопатку. Особенностью также является внешняя индикация включения.

Это технология низкой стоимости. Устройства легки в пользовании, так как нет необходимости в электронной калибровке для приложений и они универсальны для различных приложений.

Устройства являются механическими и двигатель будет изнашиваться при использовании, они не будут работать с очень легкими материалами и устройства должны приобретаться с учетом используемого электропитания.

Источник