Pro automatizaci mnoha výrobních procesů je nutné kontrolovat hladinu vody v nádrži, měření se provádí pomocí speciálního senzoru, který dává signál, když procesní médium dosáhne určité hladiny. V každodenním životě se nelze obejít bez hladinoměrů, názorným příkladem jsou uzavírací ventily záchodové mísy nebo automatika pro vypnutí čerpadla studny. Podívejme se na různé typy hladinových snímačů, jejich konstrukci a princip činnosti. Tyto informace budou užitečné při výběru zařízení pro konkrétní úkol nebo při výrobě senzoru vlastníma rukama.
Různé typy snímačů hladiny
Návrh a princip fungování
Konstrukce měřicích zařízení tohoto typu je určena následujícími parametry:
- Funkčnost se v závislosti na tomto zařízení obvykle dělí na alarmy a hladinoměry. První sledují konkrétní místo plnění nádrže (minimum nebo maximum), zatímco druhé nepřetržitě monitorují hladinu.
- Princip činnosti, může být založen na: hydrostatice, elektrické vodivosti, magnetismu, optice, akustice atd. Ve skutečnosti je to hlavní parametr, který určuje rozsah.
- Způsob měření (kontaktní nebo bezkontaktní).
Kromě toho vlastnosti návrhu určují povahu procesního prostředí. Jedna věc je měřit výšku pitné vody v nádrži a druhá věc je kontrolovat naplnění nádrží na průmyslové odpadní vody. V druhém případě je nutná vhodná ochrana.
Typy snímačů hladiny
V závislosti na principu činnosti se signalizační zařízení obvykle dělí na následující typy:
- plovoucí typ;
- pomocí ultrazvukových vln;
- zařízení s kapacitním principem detekce hladiny;
- elektroda;
- typ radaru;
- fungující na hydrostatickém principu.
Protože tyto typy jsou nejběžnější, budeme zvažovat každý z nich samostatně.
Plovák
Jedná se o nejjednodušší, ale přesto efektivní a spolehlivý způsob měření kapaliny v nádrži nebo jiné nádobě. Příklad implementace lze nalézt na obrázku 2.
Rýže. 2. Plovákový snímač pro ovládání čerpadla
Konstrukce se skládá z plováku s magnetem a dvou jazýčkových spínačů instalovaných v kontrolních bodech. Stručně popište princip fungování:
- Nádrž se vyprázdní na kritické minimum (A na obr. 2), zatímco plovák klesne na úroveň, kde je umístěn jazýčkový spínač 2, sepne relé, které napájí čerpadlo, které čerpá vodu ze studny.
- Voda dosáhne značky maxima, plovák se zvedne do polohy jazýčkového spínače 1, funguje a relé se vypne, resp. přestane fungovat motor čerpadla.
Vyrobit si takový jazýčkový spínač je docela jednoduché a jeho nastavení spočívá v nastavení úrovní zapnutí a vypnutí.
Všimněte si, že pokud zvolíte správný materiál pro plovák, bude snímač hladiny vody fungovat, i když je v nádrži vrstva pěny.
Ultrazvukové
Tento typ měřiče lze použít pro kapalinové i suché aplikace a může mít analogový nebo diskrétní výstup. To znamená, že senzor může omezit plnění na určitý bod nebo jej neustále sledovat. Zařízení obsahuje ultrazvukový vysílač, přijímač a kontrolér zpracování signálu. Princip činnosti alarmu je znázorněn na obrázku 3.
Rýže. 3. Princip činnosti ultrazvukového snímače hladiny
Systém funguje následovně:
- je emitován ultrazvukový impuls;
- je přijímán odražený signál;
- analyzuje se doba trvání útlumu signálu. Pokud je nádrž plná, bude krátká (A obr. 3) a při vyprazdňování se začne zvětšovat (B obr. 3).
Ultrazvukové signalizační zařízení je bezkontaktní a bezdrátové, lze jej tedy použít i v agresivním a výbušném prostředí. Po prvotním seřízení takový snímač nevyžaduje žádnou specializovanou údržbu a absence pohyblivých částí výrazně prodlužuje životnost.
Elektroda
Elektrodová (konduktometrická) signalizační zařízení umožňují řídit jednu nebo více hladin elektricky vodivého média (tj. nejsou vhodná pro měření naplnění nádrže destilovanou vodou). Příklad použití zařízení je na obrázku 4.
Obrázek 4. Měření hladiny kapalin pomocí konduktometrických senzorů
Ve výše uvedeném příkladu je použito tříúrovňové signalizační zařízení, ve kterém dvě elektrody řídí plnění nádrže a třetí je nouzová, pro umožnění režimu intenzivního čerpání.
kapacitní
Pomocí těchto signalizačních zařízení je možné zjistit maximální naplnění nádoby a jako technologické médium mohou působit kapalné i sypké látky směsného složení (viz obr. 5).
Rýže. 5. Kapacitní snímač hladiny
Princip činnosti signalizačního zařízení je stejný jako u kondenzátoru: kapacita se měří mezi deskami citlivého prvku. Když dosáhne prahové hodnoty, je do regulátoru odeslán signál. V některých případech se jedná o verzi „suchého kontaktu“, to znamená, že hladinoměr pracuje přes stěnu nádrže izolovaně od procesního média.
Tato zařízení mohou pracovat v širokém teplotním rozsahu, nejsou ovlivněna elektromagnetickými poli a mohou pracovat na velkou vzdálenost. Tyto vlastnosti výrazně rozšiřují rozsah použití až do náročných provozních podmínek.
Radar
Tento typ signalizačních zařízení lze skutečně nazvat univerzálním, protože může pracovat s jakýmkoli procesním médiem, včetně agresivních a výbušných, a tlak a teplota neovlivní hodnoty. Příklad fungování zařízení je znázorněn na obrázku níže.
Radarové měření hladiny
Zařízení vysílá rádiové vlny v úzkém rozsahu (několik gigahertzů), přijímač zachytí odražený signál a na základě doby zpoždění určí, jak je nádoba plná. Měřicí senzor není ovlivněn tlakem, teplotou nebo povahou procesní tekutiny. Prašnost také nemá vliv na hodnoty, což se o laserových alarmech říci nedá. Je také nutné poznamenat vysokou přesnost zařízení tohoto typu, jejich chyba není větší než jeden milimetr.
Hydrostatický
Tyto alarmy mohou měřit jak limitní, tak aktuální naplnění nádrží. Jejich princip fungování je znázorněn na obrázku 7.
Obrázek 7. Měření náplně pomocí gyrostatického senzoru
Zařízení je postaveno na principu měření úrovně tlaku vytvářeného sloupcem kapaliny. Přijatelná přesnost a nízké náklady učinily tento typ velmi populární.
V rámci článku nemůžeme prozkoumat všechny typy signalizačních zařízení, např. otočné praporky, pro stanovení sypkých látek (signál zasekne lopatku ventilátoru v sypkém médiu po vytažení jímky ven). Stejně tak nemá smysl uvažovat o principu fungování radioizotopových měřičů, tím spíše je doporučovat pro kontrolu hladiny pitné vody.
Jak si vybrat?
Výběr snímače hladiny vody v nádrži závisí na mnoha faktorech, z nichž hlavní jsou:
- Kapalné složení. V závislosti na obsahu cizích nečistot ve vodě se může měnit hustota a elektrická vodivost roztoku, což pravděpodobně ovlivní naměřené hodnoty.
- Objem nádrže a materiál, ze kterého je vyrobena.
- Funkčním účelem nádoby je akumulovat kapalinu.
- Vyžaduje se nutnost kontroly minimální a maximální hladiny, případně sledování aktuálního stavu.
- Přípustnost integrace do automatizovaného řídicího systému.
- Spínací schopnosti zařízení.
Toto není úplný seznam pro výběr měřicích přístrojů tohoto typu. Pro domácí účely je samozřejmě možné výrazně omezit výběrová kritéria jejich omezením na objem nádrže, typ provozu a schéma ovládání. Výrazné snížení požadavků umožňuje samostatně vyrábět takové zařízení.
Vlastníma rukama vyrábíme snímač hladiny vody v nádrži
Řekněme, že existuje úkol zautomatizovat provoz ponorného čerpadla pro dodávku vody do chaty. Voda zpravidla vstupuje do akumulační nádrže, proto musíme zajistit, aby se čerpadlo automaticky vypnulo, když je plné. K tomuto účelu není vůbec nutné kupovat laserový nebo radarový hladinoměr, vlastně žádný kupovat nemusíte. Jednoduchý problém vyžaduje jednoduché řešení, je znázorněno na obrázku 8.
Ovládací okruh vodního čerpadla
K vyřešení problému budete potřebovat magnetický startér s 220voltovou cívkou a dvěma jazýčkovými spínači: minimální úroveň – pro zavírání, maximální – pro otevírání. Schéma zapojení čerpadla je jednoduché a hlavně bezpečné. Princip fungování byl popsán výše, ale opakujeme to:
