Кондуктометрические датчики уровня — устройство и принцип работы
Стандартной задачей, весьма распространенной в промышленности, в частности — в пищевой, является сигнализация достижения жидкостью в емкости определенного уровня. Существует много методов для решения данной задачи, но наиболее простым и недорогим способом является применение кондуктометрических датчиков уровня.
Такие датчики успешно могут работать с электропроводящими жидкостями проводимостью 0,2 См/м и более. К подобным жидкостям относятся питьевая и техническая вода, слабые растворы щелочей, кислот, сточные воды и пищевые жидкости (например квас или пиво).
Принцип работы кондуктометрических датчиков основан на том, что при достижении жидкостью в емкости определенного уровня, рабочая жидкость замыкает электрод датчика на корпус металлического резервуара либо на дополнительный электрод самого датчика, вызывая в цепи датчика электрический ток. В итоге замыкание цепи датчика приводит к срабатыванию реле, которое, в свою очередь, управляет соответствующей схемой.
Кондуктометрические датчики уровня по условиям температуры и давления принципиально способны работать при температурах до +350°С, и при давлениях до 6,3 МПа, что определяется материалом изолятора электрода, а конкретные значения производитель указывает в сопутствующей документации.
Препятствиями для нормальной работы кондуктометрического датчика могут оказаться: сильное вспенивание жидкости, сильное парение рабочей среды, образование изолирующих отложений на чувствительном элементе датчика и проводящих отложений на его изоляторе. Все эти препятствия производитель стремится предотвратить, выбирая более подходящий материал для датчика.
Рассмотрим физику рабочего процесса кондуктометрического датчика, то есть немного затронем суть кондуктометрии. Электрическое сопротивление раствора, соответственно — его электропроводность, характеризуют способность данного раствора в определенной степени проводить электрический ток.
Данные параметры сильно связаны с физико-химическими свойствами растворенного вещества и растворителя: с концентрацией растворенных ионов и с их подвижностью, с зарядом этих ионов, с температурой раствора, с давлением, и со многими другими факторами.
Электропроводность имеет размерность Сименс на сантиметр (См/см). Характеристикой сверхчистых и чистых вод служит сопротивление, выражаемое в Омах на сантиметр (Ом*см).
По терминологии кондуктометрии, кондуктометрическая ячейка является чувствительным элементом датчика, она характеризуется константой ячейки.
В классическом виде кондуктометрическая ячейка состоит из двух параллельно расположенных электродов площадью в несколько квадратных сантиметов, которые погружаются в раствор, и расстояние между которыми составляет обычно несколько сантиметров.
Для каждого такого установленного датчика можно ввести константу ячейки (с), и выразить ее в 1/см. Сегодня все чаще кондуктометрические датчики имеют электроды из нержавеющей стали, при этом константы возможны разные.
Кондуктометрические датчики уровня могут контролировать один или несколько установленных уровней проводящий жидкости. И принцип всегда один — электропроводность жидкости отличается от электропроводности воздуха, что электроды и фиксируют. Датчики могут быть как одноэлектродными, так и многоэлектродными, позволяющими отследить несколько уровней жидкости.
В простейшем виде кондуктометрический датчик уровня представляет собой электроды из нержавеющей стали, один из которых служит общим в схеме контроля, и устанавливается в емкости таким образом, чтобы его рабочая часть постоянно контактировала с жидкостью, в частности, общим электродом может стать проводящий корпус емкости с жидкостью. Другие электроды будут сигнальными, и располагаются на определенных уровнях, которые необходимо контролировать.
В процессе заполнения емкости жидкостью, сигнальные электроды оказываются последовательно в контакте с этой жидкостью, и цепи одна за другой замыкаются. Соответственно срабатывают сигнальные выходы прибора.
Одноэлектродные датчики подходят для работы в металлических емкостях закрытого или открытого типа. Гильзы датчиков могут быть фторопластовыми, керамическими или пластмассовыми. Стержни — из нержавеющей стали. Особенное внимание при изготовлении датчиков уделяется их структуре, которая обязана предотвратить ложное срабатывание из-за скопления жидкости.
Пятиэлектродные, четырехэлектродные и трехэлектродные кондуктометрические датчики уровня используют для контроля, как отмечалось выше, нескольких уровней жидкости в емкости, даже если стенки емкости не являются проводящими, то есть выполнены из изоляционного материала, например из пластика.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Кондуктометрический метод измерения уровня
В современных системах автоматизации выделяют следующие методы измерения уровня: поплавковый, кондуктометрический, гидростатический, ротационный, емкостной, вибрационный и радарный. Каждый из методов измерения имеет свои особенности. На примере датчиков уровня ОВЕН рассмотрим, как классифицируются датчики уровня.
В ассортименте компании ОВЕН на сегодня присутствуют датчики уровня, обеспечивающие следующие методы измерения уровня:
Кондуктометрический метод
Поплавковый метод
Гидростатический метод
Ротационный метод
Классификация по функционалу
Датчики уровня можно разделить по функционалу на две большие группы:
- Сигнализаторы.
- Уровнемеры.
Сигнализаторы – это устройства, предназначены для определения заданного уровня. Датчики сигнализируют, что уровень достиг установленного значения.
Уровнемеры – это датчики, которые предназначены для непрерывного измерения уровня в настоящем времени. В их конструкции предусмотрена измерительная часть с сенсорами.
Данные с измерительной части обрабатываются аналоговой или цифровой электронной схемой, входящей в состав датчика. Обычно это выходной сигнал 4…20 мА или RS-485.
Методы измерения
Множество способов измерения уровня предполагает использование как дорогих, так и бюджетных датчиков. Как правило, в каждом датчике заложен свой метод измерения, имеющий свои особенности.
Самый популярный метод измерения уровня – кондуктометрический.
Кондуктометрический метод измерения уровня жидкости является наиболее простым и бюджетным. Этот метод по функционалу актуален только в сигнализаторах уровня.
Принцип работы кондуктометрических датчиков основан на измерении сопротивления (электропроводности) жидкости между общим и сигнальными электродами, которое зависит от уровня контролируемой жидкости. Длина общего электрода должна быть максимальной по отношению к сигнальным, а его рабочая часть должна находиться в постоянном контакте с жидкостью.
Рис. 1. Принцип работы кондуктометрических датчиков
Кондуктометрический метод измерения применим исключительно для электропроводных жидкостей.
Из минусов этого метода можно отметить несовместимость с клейкими и диэлектрическими веществами. Остатки клейких сред, налипая на электроды, могут вызывать ложные срабатывания. А диэлектрики при достижении уровня срабатывания вообще не будут проводить электрический ток.
Кондуктометрические датчики уровня применяются для сигнализации уровня жидкости в металлических и неметаллических резервуарах.
При использовании кондуктометрического датчика для контроля уровня жидкости в неметаллических резервуарах один электрод является общим, а в металлическом резервуаре функцию общего электрода выполняет стенка резервуара.
Рис. 2. Сигнализация одинакового уровня жидкости в различных резервуарах
Кондуктометрические датчики ОВЕН
Кондуктометрические датчики предназначены для контроля одного или нескольких уровней электропроводных жидкостей, защиты от переполнения емкостей и предохранения насосов от «сухого» хода.
К токопроводящим жидкостям относятся вода, пищевые продукты, растворы солей, кислот и щелочей.
Представляем ассортимент кондуктометрических датчиков ОВЕН с основными техническими характеристиками.
Тип датчика и модификация
Одноэлектродные датчики
Многоэлектродный
ДС.ПВТ
ДС2
ДС.П
ДС.П.3
Датчики уровня ОВЕН кондуктометрического и поплавкового типов
Компания ОВЕН серийно производит сигнализаторы и уровнемеры кондуктометрического и поплавкового типов для контроля уровня жидкостей в открытых и закрытых резервуарах. Основное отличие уровнемера от сигнализатора заключается в непрерывном измерении уровня, а не только его предельных значений. Датчики ОВЕН отличаются простотой монтажа, надежностью измерений, механической прочностью и доступной ценой, они могут устанавливаться в технологических емкостях и товарных резервуарах любой формы и размера. Кондуктометрические датчики уровня ОВЕН Датчики уровня кондуктометрического типа (рис. 1) предназначены для защиты от переполнения емкостей, предохранения насосов от «сухого» хода, контроля одного или нескольких уровней электропроводных жидкостей (более 0,2 См/м). К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, растворы солей, вода, пищевые продукты и пр. Датчики не пригодны для работы с клейкими и диэлектрическими жидкостями. Принцип действия датчиков основан на измерении сопротивления среды. Электрод определяет текущий уровень жидкости. В металлических резервуарах корпус может служить общим электродом. Остальные электроды являются сигнальными, их количество соответствует числу контролируемых уровней. В неметаллических резервуарах количество электродов должно быть на единицу больше числа контролируемых уровней, поскольку один из них служит общим электродом (рис. 2). Его длина должна быть максимальной по отношению к остальным электродам, а рабочая часть должна находиться в постоянном контакте с жидкостью. 
Преимущества кондуктометрических датчиков ОВЕН:
- компактность;
- удобное крепление резьбовым соединением (ДС);
- исключение схлестывания электродов (ДСП.3, ДУ);
- герметичность клеммного соединения (ДС);
- удобное подключение проводов винтовым соединением;
- выгодное соотношение цена/ качество.
Кондуктометрические датчики бывают одно- и многоэлектродными (рис. 2).
Одноэлектродные датчики уровня
Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС (табл. 1) могут применяться в резервуарах открытого и закрытого типа при температуре среды не выше 240 0 С.
Универсальный датчик ДС.ПВТ предлагается на замену ДС.К и ДС.1, он предназначен для работы с избыточным давлением до 2,5 МПа, например, в котлоавтоматике. ДС.ПВТ имеет три типа присоединительной резьбы: М18х1,5; М20х1,5; G1/2.
Электроды датчиков ДС из нержавеющей стали 12Х18Н10Т имеют длину: 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м.
Стержень 1,95 м с адаптером имеет резьбу с двух сторон, что позволяет наращивать длину до 10 м. Разборная конструкция датчика обеспечивает удобство транспортировки.
Многоэлектродные датчики уровня
Многоэлектродные датчики уровня серии ОВЕН ДУ (табл. 2) предназначены для сигнализации уровней жидкости (неагрессивной к материалу датчика) в резервуарах открытого типа.
Трех-, четырех- и пятиэлектродные датчики (ДУ.3, ДУ.4, ДУ.5) длиной 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м контролируют до пяти уровней в металлических резервуарах, до четырех уровней – в резервуарах из диэлектрических материалов.
Трехэлектродный датчик ДСП.3 предназначен для сигнализации двух–трех уровней жидкости. Датчик может устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа и комплектуется стержнями, как и одноуровневые. ДСП.3 крепится посредством резьбового соединения.
ДСП.3 применяется в резервуарах для хранения воды, водонапорных станциях, очистных и поливочных сооружениях, бассейнах.
Поплавковые датчики уровня
ОВЕН Поплавковые датчики уровня применяются для измерения и сигнализации уровня различных жидкостей (воды, растворов, легких нефтепродуктов), в том числе агрессивных жидких сред, за исключением коррозионно-активных к материалу датчика. В отличие от кондуктометрических поплавковые датчики работают не только с электропроводными, но и с неэлектропроводными жидкостями. Датчики могут устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа.
Простота конструкции поплавковых датчиков гарантирует надежность и экономичность обслуживания. Они состоят из поплавка с магнитом внутри и штока с герконами, срабатывающими при приближении к магниту. Датчики устойчивы к пене и пузырькам, могут работать с вязкими жидкостями, а также при высоких температурах и давлениях, но не годятся для измерения липких, засыхающих и замерзающих жидкостей, а также жидкостей с механическими включениями.
Поплавковые датчики уровня ОВЕН (рис. 3) производятся в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях. Они могут применяться совместно с сигнализаторами уровней ОВЕН САУ и БКК1, а также самостоятельно, управляя исполнительными механизмами через промежуточное реле или контактор.
По режиму работы датчики уровня подразделяются на дискретные сигнализаторы уровня (ПДУ) и уровнемеры для непрерывного измерения уровня (ПДУ-И).
Преимущество поплавковых датчиков ОВЕН:
- простой монтаж;
- наличие взрывозащищенных исполнений;
- температура эксплуатации от –60 до + 125 °C; » применение в закрытых резервуарах при давлении до 4 MПa;
- работа в вязких жидкостях плотностью ≥ 0,66 г/см3 ;
- долгий срок службы;
- низкая цена.
Поплавковые сигнализаторы ПДУ
Для сигнализации уровня используются одно- и двухуровневые датчики с цилиндрическим поплавком ОВЕН ПДУ-1, ПДУ-2, с шарообразным поплавком ПДУ-3 (табл. 3, рис. 4). Готовится к производству трехуровневая модель серии ПДУ-3.
Датчики ПДУ производятся с нормально-разомкнутыми и нормальнозамкнутыми типами контактов. Для подключения к считывающим устройствам датчики снабжены проводами НВ 0,35 или силиконовым кабелем AWG24. Датчики выпускаются с вертикальным и горизонтальным типом монтажа.
Поплавковые датчики с взрывозащитой типа «искробезопасная цепь» 0 Ex ia IIC T4 Х предназначены для эксплуатации на взрывоопасных производствах – в емкостях с взрывоопасными средами. Эксплуатация датчиков во взрывозащищенном исполнении ПДУ-Ех допускается только совместно с искробезопасным оборудованием с маркировкой взрывозащиты [Exia]IIC и выходными искробезопасными цепями с параметрами: U0 ≤ Ui , I0 ≤ Ii , С0 ≥ Ci + СК , L0 ≥ Li + LК (где СК и LК – емкость и индуктивность соединительных кабелей). Искробезопасные параметры ПДУ-Ех приведены в табл. 4.
Поплавковый датчик уровня ПДУ-И
Поплавковый датчик уровня ОВЕН ПДУ-И предназначен для непрерывного преобразования уровня жидкости в унифицированный выходной аналоговый сигнал 4…20 мА (рис. 5). ПДУ-И используются в составе систем контроля уровня жидкости, в том числе в резервуарах под давлением, они рассчитаны на диапазон преобразования до 4000 мм с дискретностью ±10 или ±5 мм.
Принцип действия ПДУ-И: поплавок с постоянным магнитом вместе с уровнем жидкости перемещается по штоку, в котором находится матрица герконов и сопротивлений. Под воздействием магнитного поля происходит срабатывание герконов, цепь замыкается по схеме трехпроводного потенциометра. При изменении уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое преобразуется в выходной сигнал 4…20 мА, пропорциональный уровню жидкости.
Линейка поплавковых датчиков расширяется, готовятся к выпуску: датчик уровня с выходным аналоговым сигналом 4…20 мА во взрывонепроницаемой оболочке; датчик с интерфейсом RS-485. Кроме поплавковых, разрабатывается ультразвуковой датчик уровня ОВЕН УДУ150 с двумя релейными выходами, выходным аналоговым сигналом 4…20 мА и с интерфейсом RS-485.
Применение поплавковых датчиков
Поплавковые датчики уровня ОВЕН имеют все регламентирующие нормативные документы для их применения на промышленных объектах.
Поплавковые датчики могут использоваться в условиях сильной вибрации и волнения жидкости, например, для контроля уровня в транспортных средствах: грузовиках, тепловозах, танкерах. Для устранения влияния вибрации жидкости поплавковый датчик помещают в демпферную трубу диаметром большим размера поплавка.
Датчики ПДУ эксплуатируются на судах, поскольку на них получено свидетельство Российского морского регистра судоходства.
В течение длительного времени датчики применяются на особо ответственных объектах, таких как Мосводоканал, ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», новосибирский водоканал, очистные станции Москвы и области.
Таблица 1. Модификации и основные параметры одноэлектродных датчиков
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Кондуктометрический датчик это устройство, предназначенное для контроля уровня токопроводящих жидкостей.
Поскольку вода, если она не дистиллированная, обладает электрической проводимостью, то измерители такого типа широко используются для контроля уровня воды в резервуарах, бассейнах, скважинах и колодцах.
Принцип работы кондуктометрического датчика заключается в изменении сопротивления между двумя электродами при их погружении в жидкость (рис. 1).
В качестве одного из электродов, кстати иногда такие датчики называют электродными, может выступать рабочая емкость, если она выполнена из металла (рис.2). Второй при этом должен быть надежно от нее изолирован. В этом случае говорят об одноэлектродном исполнении.
На практике сопротивление R1 приближается к бесконечности.
При практической реализации описанного принципа действия этот вариант менее предпочтителен, так как требует выполнения дополнительных работ по созданию электрического контакта с резервуаром и контроля, в процессе эксплуатации, его качества.
При наличии одного общего электрода и нескольких других, расположенных на разной высоте, получаем многоуровневый датчик (рис. 3).
- Общ – общий электрод;
- Ур.1, Ур.2 – электроды соответственно 1-го и 2-го уровней.
В любом случае следует помнить, что процесс контроля уровня жидкости происходит дискретно.
- значительно усложняет конструкцию;
- имеет в качестве альтернативы более удобные и точные средства, например, ультразвуковые.
КАК РАБОТАЕТ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Поскольку конструкция рассматриваемого датчика представляет собой один или несколько электродов со стороны уровня контролируемой среды (жидкости) и соединители для его подключения с другой стороны, то на выходе при погружении электродов в жидкость мы получим изменение сопротивления, причем оно будет зависеть от электропроводности жидкости.
Непосредственно подключить к нему не то чтобы управляемое устройство, например, электродвигатель насоса, но и реле любого типа не получится. Для этого требуется блок управления (БУ).
С точки зрения схемотехники это компаратор, отслеживающий изменение напряжения, например на делителе из двух сопротивления, в качестве одного из которых выступают электроды датчика (рис.4).
Это достаточно примитивная иллюстрация, но суть и принцип работы она отражает верно.
Алгоритмы работы могут быть различны, особенно для двухпороговых (и более) исполнений.
- при достижении низкого уровня насос включается;
- на верхнем – выключается.
Многие производители кондуктометрических датчиков, например, «Овен» предлагает покупателям полный ассортимент оборудования, позволяющий создавать различные по сложности алгоритмов системы управления.
- датчики уровня;
- умный дом.
* * *
© 2014-2024 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.