Jak funguje bezkontaktní snímač hladiny vody?

V průmyslu a každodenním životě existuje neustálá potřeba sledovat hladiny kapalin v nádobách. Měřicí přístroje se dělí na kontaktní a bezkontaktní. U obou možností je snímač hladiny vody umístěn v určité výšce nádrže a spouští se, signalizuje nebo dává povel ke změně režimu jeho napájení.

Kontaktní zařízení fungují na bázi plováků, které spínají obvody, když kapalina dosáhne stanovené úrovně.

Bezkontaktní metody se dělí na magnetické, kapacitní, ultrazvukové, optické a další. Zařízení nemají žádné pohyblivé části. Jsou ponořeny do kontrolovaného kapalného nebo granulovaného média nebo připevněny ke stěnám nádrží.

Plovákové senzory

Nejběžnější jsou spolehlivá a levná zařízení pro sledování hladiny kapalin pomocí plováků. Strukturálně se mohou lišit. Podívejme se na jejich typy.

Vertikální rozložení

Často se používá plovákový snímač hladiny vody s vertikální tyčí. Uvnitř je umístěn kulatý magnet. Tyč je dutá plastová trubka s jazýčkovými spínači umístěnými uvnitř.

Na hladině kapaliny je vždy umístěn plovák s připevněným magnetem. Když se magnetické pole přiblíží k jazýčkovému spínači, spustí své kontakty, což je signál, že nádoba je naplněna na určitý objem. Zapojením párů kontaktů do série přes odpory můžete neustále sledovat hladinu vody na základě celkového odporu obvodu. Standardní signál se pohybuje od 4 do 20 mA. Snímač hladiny vody se nejčastěji umisťuje v horní části nádrže v prostoru dlouhém do 3 m.

Elektrické obvody s jazýčkovými spínači se mohou lišit, i když je mechanická část vzhledově podobná. Senzory jsou umístěny v jedné, dvou nebo více úrovních a dávají signál o naplnění nádrže. Mohou být také lineární, přenášející signál nepřetržitě.

Horizontální umístění

Pokud není možné čidlo instalovat shora, připevňuje se vodorovně ke stěně nádrže. Na páce se závěsem je instalován magnet s plovákem a v pouzdře je umístěn jazýčkový spínač. Když kapalina stoupne do horní polohy, magnet se přiblíží ke kontaktům a senzor se spustí, což signalizuje dosažení mezní polohy.

V případě zvýšeného znečištění nebo zamrznutí kapaliny se používá spolehlivější plovákový snímač hladiny vody na ohebném kabelu. Skládá se z malé utěsněné nádoby umístěné v hloubce s kovovou kuličkou s jazýčkovým kontaktem nebo páčkovým spínačem uvnitř. Když se hladina vody shoduje s polohou senzoru, nádoba se převrátí a kontakt se aktivuje.

Jeden z nejpřesnějších a nejspolehlivějších plovákových senzorů je magnetostrikční. Obsahují plovák s magnetem, který klouže po kovové tyči. Princip činnosti spočívá ve změně doby trvání průchodu ultrazvukového impulsu tyčí. Absence elektrických kontaktů výrazně zvyšuje přehlednost ovládání při dosažení dané polohy rozhraní.

Kapacitní senzory

Bezkontaktní zařízení reaguje na rozdíl mezi dielektrickou konstantou různých materiálů. Snímač hladiny vody v nádrži je instalován mimo boční stěnu nádrže. V tomto místě by měla být vložka ze skla nebo fluoroplastu, aby bylo možné přes ni rozlišit rozhraní mezi médii. Vzdálenost, na kterou citlivý prvek detekuje změny v řízeném prostředí, je 25 mm.

Hermetická konstrukce kapacitního senzoru umožňuje jeho umístění v kontrolovaném prostředí, např. v potrubí nebo víku nádrže. Může však být pod tlakem. Tímto způsobem je během technologického procesu udržována přítomnost kapaliny v uzavřeném reaktoru.

Elektrodové senzory

Snímač hladiny vody s elektrodami umístěnými v kapalině reaguje na změny elektrické vodivosti mezi nimi. K tomu jsou zajištěny svorkami a umístěny na extrémní horní a spodní úrovni. Další vodič je instalován v páru s delším, ale obvykle se místo něj používá kovové tělo nádrže.

Obvod snímače hladiny vody je připojen k řídicímu systému motoru čerpadla. Když je nádrž plná, všechny elektrody jsou ponořeny do kapaliny a mezi nimi protéká řídicí proud, který je signálem k vypnutí motoru vodního čerpadla. Voda také neteče, pokud se nedotkne odkrytého horního vodiče. Signálem pro zapnutí čerpadla je pokles hladiny pod dlouhou elektrodou.

Problémem všech senzorů je oxidace kontaktů ve vodě. Pro snížení jeho vlivu použijte nerezové nebo grafitové tyče.

DIY snímač hladiny vody

Jednoduchost zařízení umožňuje vyrobit si jej sami. To vyžaduje plovák, páku a ventil. Celá konstrukce je umístěna v horní části nádrže. Plovák s pákou je spojen s tyčí, která pohybuje pístem.

Když voda dosáhne horní mezní úrovně, plovák pohne pákou, která působí na píst a uzavře průtok spodní trubkou.

Jak voda proudí, plovák klesá, načež píst opět otevře otvor, kterým lze nádrž doplnit.

Při správném výběru a výrobě snímač hladiny vody, sestavený vlastníma rukama, v domácnosti spolehlivě funguje.

Závěr

Snímač hladiny vody je v soukromém sektoru nepostradatelný. S ním se neztrácí čas při sledování naplnění nádrže na zahradě, hladiny ve studni, vrtu nebo septiku. Jednoduché zařízení spustí nebo vypne vodní čerpadlo včas bez pomoci majitele. Jen nezapomínejte na jeho prevenci.

Když jsem byl zaměstnán, musel jsem velmi často používat snímače hladiny kapalin. V mé praxi existovaly dva druhy kapalin – voda a olej. Ale téměř v každém odvětví existuje alespoň nějaký druh tekutiny. A často je třeba kontrolovat jeho úroveň. Proto je na trhu velmi široká škála snímačů hladiny kapalin. Budeme o nich mluvit v tomto článku.

Typy snímačů hladiny kapalin

Zde jsou všechny možné typy snímačů hladiny kapaliny. Mohou být samozřejmě i další. Ale tohle se mi podařilo zapamatovat a najít v různých zdrojích.

• Plovák
• Přívěsný
• kapacitní
• Konduktometrické
• Ultrazvukové
• Radar (mikrovlnka)
• Hydrostatický
• Vibrační
• Optický
• Bypass
• Magnetostrikční
• Dolů

Snímače hladiny kapalin, plovákové jazýčkové spínače

Tyto senzory jsou nejběžnější, protože:

Kde je to možné, doporučuji použít plovákové senzory.

Přísně vzato, nemusí se nutně jednat o jazýčkové spínače. Například kontakt nemusí být jazýčkový spínač, ale mikrospínač. Ale v drtivé většině případů se používá jazýčkový spínač (mimochodem, kdo by nevěděl, jazýčkový spínač je germetrický kontakt).

Obrázek ukazuje nejběžnější provedení plovákového snímače. Na kulatém čepu je připevněn plovák, který má tvar kroužku. Uvnitř plováku je magnet. Jazýčkové spínače jsou umístěny na jedné nebo několika úrovních uvnitř kolíku. Když se plovák pod vlivem kapaliny pohybuje podél čepu, pak, v souladu s jazýčkovým spínačem, působí plovákový magnet na jazýčkový spínač, což vede k sepnutí nebo otevření jeho kontaktů (v závislosti na konstrukci jazýčku přepínač).

Aby plovák nevylétl z čepu, jsou na čepu omezovače. Tyto stejné omezovače zabraňují proklouznutí plováku za jazýčkový spínač. Kontakty jazýčkového spínače proto zůstávají v „spuštěném“ stavu, i když kapalina stoupne nad horní jazýčkový spínač nebo naopak klesne pod spodní jazýčkový spínač.

Při objednávání snímače uveďte počet úrovní a rozměry snímače: vzdálenost od horní části nádrže k horní kontrolované hladině a vzdálenost od horní části nádrže ke spodní kontrolované hladině.

Typicky takové senzory monitorují jednu nebo dvě úrovně. Zpravidla je buď horní nebo dolní, nebo horní a dolní. Tříúrovňové snímače tohoto typu jsou méně obvyklé. Větší počet úrovní u takovýchto senzorů jsem neviděl. A obvykle není prakticky potřeba sledovat hladinu na více než třech bodech. Pokud je to však stále nutné, můžete použít několik jedno- nebo dvouúrovňových senzorů různých velikostí.

Závěsné hladinové spínače

Jsou to také plovákové snímače, ale fungují na jiném principu: snímač je zavěšen na kabelu v nádobě s kapalinou, a když se kapalina přiblíží k plováku, převrátí se a sepne nebo rozepne kontakt (podle konstrukce senzor):

Takové snímače jsou o něco dražší, ale musí být použity tam, kde plovákové snímače výše uvedeného typu nemohou fungovat. Například při sledování hladin v nádobách s odpadní vodou (kanalizace), s oleji, které se mohou přilepit na plovák atd.

Ve své praxi jsem často musel měřit hladinu rostlinného oleje. Tento úkol, jak se ukázalo, je velmi obtížný. Plovákové senzory na čepu fungovaly, ale po cca 1,5. 2 měsících používání se na nich usadilo tolik lepkavé hmoty z rostlinného oleje, že se plovák prostě začal na čepu zasekávat a přestal se pohybovat. To znamená, že takové senzory bylo nutné neustále čistit.

Závěsné alarmy fungovaly bezchybně, protože volně plavaly v nádobě a jejich činnost nebyla ovlivněna přilepením. Pravda, byly i jiné potíže, ale to je jiný příběh.

Kapacitní snímače hladiny kapalin

Zde také budeme hovořit o diskrétních senzorech. Tedy o senzorech, které hladinu hlídají, spíše než měří. Na kapacitních snímačích je dobré, že v některých případech nemusíte do nádrže dělat otvory – stačí snímače namontovat na vnější stěnu nádrže a je to. Ale to je možné (a ne vždy) u nekovových nádob.

Můžete to zkusit s kovovými, ale s největší pravděpodobností to nebude fungovat. Pak budete muset v nádrži vyřezat okna a nainstalovat do nich plošiny, například z plexiskla. Nebo, pokud snímač umožňuje možnost kontaktu s kapalinou, přímo jej vyřízněte do nádrže (takové snímače mají obvykle kulatý tvar se závitem).

Když se kapalina dostane do kontaktu se snímačem, citlivý prvek snímače zaznamená změnu kapacity (kapacita kapaliny se liší od kapacity vzduchu). Senzor je „spuštěn“.

Takové senzory jsou docela spolehlivé. Jejich hlavní výhodou je, že nemají mechanické kontakty a další části, které se mohou opotřebovat nebo nějak ovlivnit spolehlivost. Další výhodou je bezkontaktní způsob ovládání – v prvním případě použití snímač nepřijde do přímého kontaktu s kapalinou. Někdy na tom záleží.

Existuje však také nevýhoda – kapacita závisí na mnoha parametrech – na složení kapaliny, na vlastnostech prostředí atd. Proto je v některých případech dosažení stabilního provozu bez falešných poplachů (nebo poruch) velmi obtížné nebo dokonce nemožné.

Nechybí ani kapacitní hladinoměry. Tedy kapacitní snímače hladiny s analogovým výstupem. Jsou relativně levné, ale musí být neustále kalibrovány, protože kapacita závisí na mnoha faktorech, které se u některých systémů neustále mění.

Konduktometrické snímače hladiny kapalin

Jedná se o poměrně jednoduchý a spolehlivý způsob sledování hladiny kapaliny. Má to ale jednu nevýhodu – kapalina musí být elektricky vodivá. Proto je například nemožné měřit hladinu oleje takovými snímači. Také nemohou měřit hladinu hořlavých kapalin, i když vedou proud – pravděpodobnost jiskry je malá, ale existuje, protože na elektrody je přivedeno napětí.

Nejčastěji se takové senzory používají k měření několika hladin vody – obvykle od 2 do 4.

Princip činnosti takového snímače hladiny je založen na elektrické vodivosti kapaliny. Na elektrody je přivedeno napětí. A když se elektroda snímače hladiny kapaliny dostane do kontaktu s ní, začne kapalinou procházet proud při hledání další elektrody. A pokud takovou elektrodu najde, tedy pokud jsou obě elektrody ponořeny v kapalině, pak zařízení, ke kterému je senzor připojen, pochopí, že na této úrovni je kapalina a vydá odpovídající signál.

Pokud je nádoba kovová, může být samotná nádoba použita jako běžná elektroda. Zde však musíme pamatovat na to, že nádoby s vodou (a hladina vody je tímto způsobem obvykle sledována) mají zpravidla povlak rzi, což může snížit elektrickou vodivost a vést k poruchám senzoru. Navíc bude obtížnější dosáhnout stabilního provozu v důsledku skutečnosti, že vzdálenost mezi stěnou nádoby a elektrodou může být větší, než je nutné pro provoz senzoru.

Ultrazvukové snímače hladiny kapalin

Vše výše uvedené jsou diskrétní senzory. Na výstupu takových snímačů je signál nebo ne. A s takovými senzory nemůžete měřit hladinu, můžete ji sledovat pouze v několika bodech. Často je však nutné přesně změřit hladinu. Například v palivové nádrži. Souhlaste s tím, že by řidiče velmi naštvalo, kdyby měl místo stupnice a šipky pouze informaci, zda je nádrž plná nebo prázdná.

K měření hladin se často používají ultrazvukové senzory. Princip činnosti takového senzoru je následující:

1. Senzor vysílá zvukové vlny (přesněji ultrazvukové vlny).
2. Tyto vlny se odrážejí od povrchu kapaliny a vrací se zpět do senzoru.
3. Tímto způsobem můžete vypočítat dobu, za kterou vlny projdou od senzoru k povrchu kapaliny a zpět.
4. Mikrokontrolér snímače, který zná rychlost šíření ultrazvuku a dobu, za kterou se vlna dostane od snímače k ​​povrchu a zpět, určuje vzdálenost od snímače k ​​povrchu kapaliny.

Úroveň lze snadno vypočítat:

Často to lze provést přímo v senzoru, protože všechna taková zařízení jsou mikroprocesorová zařízení s digitálním výstupním signálem (i když existují i ​​analogová).

Ultrazvukové senzory jsou poměrně spolehlivé, ale jejich použití je omezeno určitými nevýhodami:

• Vysoká cena. Pro měření hladin 1. 2 metry je cena ještě přijatelná. Ale pak je cena vysoká. Zejména při měření hladin 10 metrů a výše. Takové senzory mohou stát 1000 XNUMX $ nebo více.
• Mrtvá zóna. Téměř všechny takové senzory to mají. A může být až 10 % maximální naměřené úrovně.

Ultrazvukové snímače hladiny mají také diskrétní výstup. Obvykle se používají jako koncové spínače.

Radarové snímače hladiny kapalin

Obecně platí, že vše, co se říká o ultrazvukových senzorech, platí i pro radarové senzory. Jediný rozdíl je ve formě vln. V prvním případě jde o ultrazvuk a u radarových senzorů o mikrovlny (elektromagnetické vlny přenášené rádiovým signálem).

Další vlastností je rozdílná rychlost šíření ultrazvukových a rádiových vln. Ale v případě měření hladiny kapalin to nevadí, protože nádrže se plní kapalinou poměrně pomalu. Proto tento rozdíl v rychlosti šíření vln nevadí.

Existují také reflexní senzory, které také využívají mikrovlny, jen jsou vysílány nikoli prostřednictvím rádiového signálu, ale ve formě mikropulzů podél vedení sondy. Takový senzor na rozdíl od radarového není bezdotykový – sonda musí být v kontaktu s kapalinou v celé měřené hladině.

Hydrostatické snímače hladiny kapalin

Princip činnosti hydrostatických snímačů je založen na změnách tlaku. Jak víte, čím větší hloubka, tím větší tlak. Proto měřením tlaku a znalostí závislosti tlaku na hloubce je možné určit hloubku, a tedy i hladinu.

Zde je samozřejmě mnoho úskalí, protože tlak závisí na mnoha faktorech. Výrobci se ale snaží vliv těchto faktorů zohlednit a kompenzovat to technickými řešeními.

Výstupní signál takového snímače je obvykle analogový. Existují ale také hydrostatické senzory (alarmy) s diskrétním výstupem.

Vibrační snímače hladiny kapaliny

Snímače úrovně vibrací jsou poměrně drahé. Ale v některých případech jsou jediné, které lze použít. Jedná se o diskrétní senzory. To znamená, že je správnější nazývat je hladinovými spínači.

Citlivý prvek snímače vibrací musí být v kontaktu s kapalinou.

Princip činnosti snímače vibrací se dvěma piezoelektrickými prvky je následující:

1. První piezoelektrický prvek generuje vibrace.
2. Druhý piezoelektrický prvek zachycuje tyto vibrace a generuje elektrický impuls.
3. Při ponoření citlivého prvku snímače do kapaliny se změní frekvence vibrací, vibrace slábnou a na výstupu je generován „spouštěcí“ signál.

Optické snímače hladiny kapalin

Optické hladinové spínače jsou také poměrně drahé. Jedná se o senzory s diskrétním výstupem. Princip jejich činnosti je založen na vlastnostech kapaliny propouštět nebo lámat světlo. To může být buď viditelné záření, nebo neviditelné (například infračervené).

Konstrukce snímačů se může lišit. Ale v každém případě má vysílač a přijímač světelných vln.

Když se mezi vysílačem a přijímačem objeví kapalina, přijímač přestane „vidět“ světlo z vysílače a senzor se spustí (to znamená, že vydá signál).

Bypass snímače hladiny kapaliny

Jedná se o analogové senzory. Docela objemný a drahý design. Používají se pouze ve zcela specifických případech.

Bypass je obtoková komora. Zjednodušeně řečeno jde o trubici, která je napojena na zásobník ve dvou bodech – nahoře a dole a funguje jako komunikující nádoba. Uvnitř této trubky je plovák. Plovák může mít například magnet, který působí na váhu s magneticky citlivými prvky připojenými k bypassu.

Váha může být buď jednoduše vizuální, nebo s nějakým druhem elektrických či elektronických prvků, které reagují na magnetické pole. V nejjednodušším případě by to mohla být sada jazýčkových spínačů.

Na výstupu tak získáme (po transformacích) analogový signál, který lze použít k měření hladiny.

Magnetostrikční snímače hladiny kapalin

Konstrukčně se jedná o plovákový senzor. I zde se plovák pohybuje podél čepu. A podle principu činnosti je to podobné jako u bypassu – uvnitř čepu (trubice) jsou magneticky citlivé prvky, které reagují na magnet umístěný uvnitř plováku.

Jedná se o snímač s analogovým výstupem. I když mohou být i digitální.

Snímače hladiny kapaliny

Velmi drahé senzory určené k měření hladin v hlubokých vrtech. Princip činnosti takových snímačů je zpravidla hydrostatický. To znamená, že určuje hladinu změnami tlaku kapaliny.

Jediný rozdíl od konvenčních hydrostatických senzorů je ten, že senzory vrtů jsou navrženy pro provoz ve velkých hloubkách – desítky a stovky metrů.

Fuj. nečekal jsem, že vznikne tak objemný článek. Proto končím. Přihlaste se k odběru novinek, ať vám nic neunikne (tlačítko vpravo nahoře).

• Snímač hladiny rostlinného oleje
• Ultrazvukový snímač hladiny EchoTREK SGA-344-2