Датчики уровня жидкости предназначены для контроля уровня жидкостей в различных резервуарах. В зависимости от типа приложения, где используется датчик, применяются контактный или бесконтактный метод измерений. При контактном измерении (датчики поплавкового типа) датчик располагается непосредственно на стенке резервуара и переключает контакты при достижении водой уровня его размещения. Измерения уровня жидкостей и твердых веществ могут осуществляться различными методами: магнитными измерениями, емкостными, оптическими, ультразвуковыми и др.
Оптические датчики не имеют подвижных частей, монтируются на стенку резервуара и срабатывают при его наполнении выше уровня монтажа датчика. Прерывание оптического луча меняет логическое состояние на выходе датчика.
Пороговое измерение уровня жидкости  |
Линейное измерение уровня жидкости  |
|
|
|
Сравнительная таблица датчиков уровня жидкости SICK
Источник: www.sensorica.ru
Измерение без прикосновения
Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.
В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.
Принцип емкостного измерения
Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора (устройство для хранения электрического заряда) будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком:
Для модели конденсатора представленной выше емкость (в фарадах) определяется по формуле:
Где: А – площадь пластины (WxL); εr – диэлектрическая проницаемость межпластинного материала; ε0 – электрическая постоянная 8,85х10-12 Ф/м; d – расстояние между пластинами в метрах;
Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле:
Срабатывание емкостного датчика
Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:
На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.
Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.
По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.
Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и влево/вправо:
По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.
Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.
По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.
Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.
Экранирование и емкостные измерения
Одной из проблем емкостных приборов измерения приближений является то, что силовые линии будут распространятся на любые соседние ячейки с потенциалом земли. Многие паразитные явление (например, ground traces (путь на поверхности Земли оставленный самолетом или спутником )) влияют на чувствительность и расстояние обнаружения датчиком. Данное явление представляет собой проблему для чувствительных к шуму систем.
Паразитные эффекты на печатных платах (а), влияющие на качество работы устройства уменьшают с помощью защитных электродов. Драйверы защитного экрана включают в интерфейсные устройства емкостных датчиков и специализированных микроконтроллеров.
Добавление активного экрана может помочь избавится от паразитных влияний на окружающую среду и позволит использовать максимальный потенциал устройства. Хорошо спроектированный активный экран будет направлен на выход датчика и будет направлять его сигнал в нужном направлении.
Драйвер защиты является активным выходом, который работает от того же напряжения что и само устройство. Таким образом, не будет возникать никакой разности потенциалов между экраном и входом устройства. Любое внешнее вмешательство вызовет минимальное взаимодействие между экранированным электродом и измерительным электродом.
Блок диаграмма работы емкостного датчика
Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровую форму, которая пригодна для дальнейшей обработки:
Интерфейс периодически опрашивает измерительное устройство и подает сигнал, необходимый для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала относительно медленная, около 500 выборок в секунду, но с высоким разрешением. Это необходимо для определения небольших различий емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.
Многоканальные устройства могут проводить дифференциальные измерения для точного представления разности емкости между двумя датчиками. Например, если на емкость оказывают существенное влияние погодные условия, то один канал может быть посвящен погодным условиям и отслеживать изменения в диэлектриках, вызванные температурой, влажностью, типом материала и так далее. Дифференциальное измерение способно повышать точность благодаря внесению правок, связанных с работой какого-то канала.
При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости, а второй канал для опорного датчика, который измеряет электрическую емкость нулевого уровня. Так как емкость пропорциональна высоте уровня жидкости, то измеряемый уровень жидкости будет равен разности или отношению между датчиком уровня и датчиком нулевого уровня.
LC фильтры как основа емкостного измерения
Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.
Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.
Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.
Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.
Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.
Вывод
Емкостное измерение является гибкой технологией, которая становится все более популярна. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого круга приложений, как в бытовой сфере, так и в промышленной.
Источник: elenergi.ru
Конструкция и принцип действия
Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:
- Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
- Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
- Методом измерения (контактный или бесконтактный).
Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело – измерять высоту питьевой воды в баке, другое – проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.
Виды датчиков уровня
В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:
- поплавочного типа;
- использующие ультразвуковые волны;
- устройства с емкостным принципом определения уровня;
- электродные;
- радарного типа;
- работающие по гидростатическому принципу.
Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.
Поплавковый
Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.
Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:
- Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
- Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.
Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.
Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.
Ультразвуковой
Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.
Работает система следующим образом:
- излучается ультразвуковой импульс;
- принимается отраженный сигнал;
- анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).
Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.
Электродный
Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.
В приведенном примере задействован трехуровневый сигнализатор, в котором два электрода контролируют заполнение емкости, а третий является аварийным, для включения режима интенсивной откачки.
Емкостной
При помощи этих сигнализаторов можно определять максимальное заполнение емкости, причем, в качестве технологической среды могут выступать как жидкость, так и сыпучие вещества смешанного состава (см. рис. 5).
Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.
Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.
Радарный
Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.
Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник ловит отраженный сигнал и по времени его задержки определяет наполняемость емкости. На измеряющий датчик не влияет давление, температура или характер технологической среды. Запыленность также не отражается на показаниях, чего не скажешь о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов данного типа, их погрешность составляет не более одного миллиметра.
Гидростатический
Эти сигнализаторы могут измерять как предельное, так и текущее заполнение резервуаров. Их принцип действия продемонстрирован на рисунке 7.
Устройство построено по принципу измерения уровня давления, произведенного столбом жидкости. Приемлемая точность и небольшая стоимость сделали данный вид довольно популярным.
В рамках статьи мы не можем осмотреть все типы сигнализаторов, например, ротационно-флажковых, для определения сыпучих веществ (идет сигнал, когда лепесток вентилятора застрянет в сыпучей среде, предварительно вырыв приямок). Так же нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных измерителей, тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.
Как выбрать?
Выбор датчика уровня воды в резервуаре зависит от многих факторов, основные из них:
- Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
- Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
- Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
- Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
- Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
- Коммутационные возможности устройства.
Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.
Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками
Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.
Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня – на замыкание, максимального – на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:
- По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
- Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
- По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.
Источник: www.asutpp.ru
Применяется для бесконтактного измерения уровня агрессивных, стерильных, токсичных жидкостей, сильных кислот и растворителей, а также сыпучих материалов.
Должен быть установлен на неметаллической стенке контейнера или трубопровода. При установке в металлические емкости должны применяться специальные окна из неметаллических материалов.
Характеристики:
- Напряжение: 5В – 24В
- Ток покоя: 200мкА
- Выходной ток: 100мА
- Время отклика: 500мс
- Рабочая температура: 0-100 град. Цельсия
- Установочные размеры: 25.4мм*16.8мм
- Ошибка измерения: 1.5 мм
- Принцип измерения: индуктивный
- Светодиодный индикатор срабатывания
Назначение выводов:
- + питание +5-+24В
- выходной сигнал
- GND
- чувствительность сенсора (доступно 4 уровня чувствительности которые последовательно выбираются соединением этого вывода с GND)
Диаметр контейнера D (mm) / Максимальная толщина стенки L (mm):
- D = 100 / 20 + 2
- 100>D = 80 / 15 + 2
- 80>D = 60 / 12 + 1.5
- 60>D = 40 / 7 + 1
- 40>D = 30 / 5 + 1
- 30>D = 20 / 3 + 1
- 20>D = 10 / 1.5 + 0.5
Предназначендля измерения жидклстей со средней динамической вязкостью:
- динамическая вязкость <10МПа·с – нормальный режим измерений
- динамическая вязкость 10-30 МПа·с – может наблюдаться погрешность в результатах измерений
- динамическая вязкость > МПа·с – значитльное количество жидкости остается на стенках контейнера и уровень жидкости не может быть корректно измерен
Гарантия
Источник: hi-ip.com