Plovákové hladinové senzory pro kontinuální měření hladiny – Sino-Inst

Mezi různými technologiemi měření hladiny vyniká plovákový hladinoměr svou jednoduchostí, přesností a cenovou efektivitou.

Všechny plovákové hladinoměry a hladinové senzory jsou založeny na principu, že „působení vztlakové síly na objekt se rovná hmotnosti kapaliny vytlačené objektem“.

Podrobně se podíváme na plovákové hladinové senzory, od jejich principu fungování až po jejich typy.

Princip fungování plovákových hladinových senzorů/snímačů

Plovákové hladinové spínače fungují na principu vztlaku. Plovák musí mít menší hustotu než měřená kapalina, aby mohl plavat na hladině. Plovák stoupá nebo klesá se změnou hladiny kapaliny a jeho poloha je řízena spínačem nebo senzorem.

Tento spínač nebo senzor, který detekuje polohu plováku pomocí magnetických, ultrazvukových nebo jiných technologií, může být mechanický nebo elektronický.

Pracovní postup zahrnuje následující komponenty:

• Float
• Vodicí tyč nebo trubice: Plovák se pohybuje podél této tyče nebo trubice, jak se mění hladina kapaliny.
• Mechanismus senzoru: Obvykle zahrnuje jazýčkové spínače, odporové prvky nebo magnetickou vazbu.
• Výstupní signál: Pohyb plováku se převádí na analogový nebo digitální signál indikující hladinu kapaliny.

Plovákové hladinové spínače lze konfigurovat buď pro detekci limitní hladiny (např. alarm vysoké/nízké hladiny), nebo pro kontinuální měření hladiny.

Kontinuální plovákové hladinové senzory

Snad nejjednodušší formou měření hladiny kapaliny je plovák: zařízení, které se klouže po povrchu kapaliny uvnitř skladovací nádoby. Samotný plovák musí mít hustotu výrazně nižší než hustota sledované látky a nesmí korodovat ani jinak reagovat s touto látkou.

Plynový hladinový spínač s kontinuálním řízením je v podstatě senzor s vestavěnou elektronikou, který převádí polohu plováku na standardizovaný elektrický signál. Poskytuje nepřetržitou zpětnou vazbu řídicím systémům.

Kontinuální plovákový hladinový senzor umožňuje monitorování hladiny kapaliny v reálném čase. Na rozdíl od diskrétních nebo bodových hladinových senzorů, které poskytují upozornění pouze při překročení předem stanovených prahových hodnot hladiny, kontinuální senzory poskytují kontinuální měření, obvykle ve formě analogového výstupu (např. 4–20 mA nebo 0–10 V).

Součásti:

• Plovákový mechanismus (magnetizovaný nebo vodivý)
• Citlivá tyč s jazýčkovými spínači nebo odporovými prvky
• Elektronika vysílače
• Výstupní signál (obvykle 4–20 mA)

Výhody kontinuálních plovákových hladinových senzorů

• Přesné monitorování
• Nízká spotřeba energie
• vysoká síla

Typické aplikace pro kontinuální plovákové hladinové spínače

• Kontrola hladiny oleje v transformátorech
• Systémy dávkování chemikálií
• Tankové farmy
• Nádoby na farmaceutický proces

Plynový spínač s kontinuálním řízením hladiny lze přímo integrovat se systémy SCADA nebo PLC pro zjednodušení automatizace a vzdáleného monitorování.

Typy plovákových hladinových senzorů

1. Magnetické plovákové hladinové senzory
   Tyto senzory používají magnetický plovák, který se pohybuje s hladinou kapaliny. Když hladina stoupá nebo klesá, aktivuje jazýčkové spínače umístěné podél tyče. Mají jednoduchou konstrukci a minimální údržbu.
   Použití: palivové nádrže, vodní nádrže
2. Odporové plovákové senzory
   Používají plovák, který se pohybuje po odporové dráze. Se změnou polohy plováku se mění hodnota odporu, a tím se mění analogový výstup.
   Výhody: Přesný analogový výstup, vhodný pro integraci s analogovými zařízeními.
   Příklad použití: kontinuální měření hladiny plováku v průmyslových nádržích.
3. Potenciometrické plovákové senzory
   Plovák se pohybuje podél odporového pásku a funguje jako potenciometr. Výstupní napětí se mění v závislosti na poloze plováku.
   Výhody: Lineární výkon, vhodné pro malé nádrže.
   Případ použití: Laboratorní a přesné aplikace
4. Kombinace ultrazvuku a plováku
   Některé moderní konstrukce kombinují tradiční plováky s ultrazvukovými senzory, aby poskytovaly redundantní a vysoce přesné údaje.

Analogové plovákové hladinové senzory

Analogový plovákový hladinový senzor vytváří střídavý elektrický signál (napětí nebo proud) úměrný poloze plováku. Například 4–20 mA. Tento signál se obvykle používá pro kontinuální monitorování hladiny.

Charakteristiky analogových plovákových hladinových senzorů

• Výstupní signál: Mezi běžné výstupy patří 4–20 mA, 0–5 V nebo 0–10 V.
• Kompatibilita: Snadná integrace s PLC, datovými záznamníky a řídicími systémy.
• Lineární odezva: výstupní signál se lineárně mění s hladinou kapaliny.

Analogový výstupní signál lze snadno vizualizovat pomocí rozhraní člověk-stroj nebo integrovat do automatizovaných systémů pro řízení funkcí, jako je například ovládání čerpadla.

Magnetostrikční hladinový senzor vs. plovákový hladinový senzor

Protože jak magnetostrikční hladinoměr, tak i plovákový hladinoměr mají magnetické plováky, mnoho uživatelů si tyto dva hladinoměry pletou. Zde uvádíme srovnání:

V principu funguje plovákový hladinoměr na principu vztlaku. Magnetostrikční hladinoměr pracuje na principu magnetostrikčních indukovaných torzních vln. To znamená magnetostrikčního jevu. Princip fungování magnetostrikčního hladinoměru je složitější.

Co se týče přesnosti, přesnost magnetostrikčního hladinoměru je obecně vyšší než u plovákového hladinoměru. Může dosáhnout ±1 mm. Plovákový hladinoměr má přesnost ±10 mm.

Vzhledem k rozdílné přesnosti a principu fungování se liší i způsoby použití těchto dvou hladinoměrů. Plovákový hladinoměr je vhodnější pro situace, kdy nejsou požadavky na přesnost příliš vysoké, zatímco magnetostrikční hladinoměr je vhodný pro situace, kdy je vyžadováno vysoce přesné měření.

Plovákový hladinový senzor je obvykle jednodušší a jeho údržba a provoz jsou relativně snadné. Magnetostrikční hladinové senzory mohou vyžadovat odbornější údržbu a provoz kvůli většímu počtu elektronických součástek a složitým principům fungování.

Obecně platí, že plovákové a magnetostrikční hladinoměry mají své výhody a omezení. Volba hladinoměru závisí na specifických požadavcích aplikace a podmínkách prostředí.

Moderní průmyslová odvětví a zařízení, která manipulují s velkými objemy kapalných látek, musí kontrolovat jejich hladiny a objemy, aby byla zajištěna účinnost a bezpečnost výrobního procesu. Pro tyto účely se aktivně používají snímače hladiny kapalin. V tomto článku se podíváme na různé typy zařízení, jak se liší a jak fungují.

K čemu slouží snímače hladiny kapalin?

Zařízení se používají jak v průmyslových odvětvích, tak v každodenním životě:

• potravinářské a farmaceutické podniky – pro měření a monitorování hladin v nádobách a nádržích;
• těžební průmysl – zjišťovat hladinu vody ve studních;
• veřejné služby – pro monitorování vody ve studních a odpadních vod v čistírnách;
• rybářský průmysl – udržovat hladinu vody v akváriích.

Senzory se také aktivně používají v rafinaci ropy, chemickém průmyslu a automobilovém průmyslu.

Vlastnosti zařízení pro signalizaci a měření limitů hladiny kapalin

Zařízení se používají v případech, kdy je nutné kontrolovat okamžik, kdy kapalina dosáhne určitého bodu. V tomto případě zařízení vydává světelný nebo zvukový signál.

Z čeho se skládá snímač hladiny vody?

Snímač hladiny vody obsahuje tři hlavní součásti:

• citlivý prvek – sleduje pohyb kapaliny v nádobě;
• předřadník – vyrovnává citlivou část zařízení;
• akční člen — aktivuje světelné a signální indikátory.

Při servisu systému je důležité zkontrolovat všechny tři součásti, abyste předešli poruchám.

Druhy senzorů

V závislosti na účelu, principu činnosti a konstrukci existuje pět hlavních typů zařízení: plovákové, hydrostatické, radarové, ultrazvukové, kapacitní radiometrické.

Plovák

Plovákové snímače mají nejjednodušší princip činnosti – plovák je vytlačen měřenou kapalinou a kontakty se při dané hladině sepnou. Vypadá jako malá elektronická jednotka s vestavěnou tyčí nebo kabelem. Jako kontakt se používá jazýčkový spínač nebo mikrospínač.

Konstrukce mikrospínače se obvykle používá v aplikacích závěsných senzorů. Čtečka se umístí na kabel a spustí se do kontejneru. Když kapalina dosáhne plováku, převrátí se a kontakty se uzavřou. Tento typ se obvykle používá ve viskózních látkách, kde mohou látky ulpívat na struktuře, například u rostlinného oleje.

Žádané jsou snímače s jazýčkovým spínačem (zaplombovaný kontakt). Princip činnosti spočívá v tom, že v tyči snímače, která je ponořena do kapaliny, je zabudován utěsněný kontakt a nasazen plovák v magnetickém pouzdře. Obvykle jsou instalovány dva jazýčkové spínače: v horní a spodní části nádrže. Když hladina kapaliny klesne nebo stoupne, magnetický plovák dosáhne jazýčkového spínače a sepne nebo rozepne kontakty, v závislosti na účelu senzoru.

Plováková zařízení jsou ceněna pro svou jednoduchost konstrukce, vysokou přesnost a nízkou cenu. Jakékoli mechanické vibrace však mohou naměřené hodnoty mírně zkreslit. Zařízení pracují při teplotách 0–70 °C. Používají se v chemickém a ropném průmyslu a v každodenním životě. V domácnosti je senzor instalován ve studních a studnách pro sledování hladiny vody a odpadních vod.

Hydrostatický

Hydrostatický senzor vypadá jako sonda dlouhá asi 10–13 centimetrů. Ponoří se do hloubky nádrže nebo do studny. Podle způsobu instalace existují typy zadlabací a ponorné.

Výborně se osvědčil při práci v hloubkách až 250 metrů a také na těžko dostupných místech. Používá se pro nepřetržité sledování hladiny kapalin v různých situacích:

• studny, bazény, nádrže;
• úzké potrubí, kde je obtížný přístup k kapalině;
• rybolov pro měření hloubky;
• sledování hladiny odpadních vod.

Používá se při práci s tekutými, viskózními, neagresivními, abrazivními kapalinami. Některé modely jsou vybaveny membránou a pouzdrem z chemicky odolných materiálů, takže použití v agresivním prostředí je přijatelné.

Zařízení dobře fungují při teplotách od -40 do +150 °C. Aby se zabránilo bočnímu posunutí sondy, je nutné ji instalovat mimo proudění pohybující se kapaliny.

Radar

Princip činnosti radarového zařízení spočívá v tom, že převodník vysílá mikrovlny, které se odrážejí od měřeného povrchu kapaliny a vracejí se do převodníku ve formě elektromagnetického signálu. Data jsou zpracovávána ve speciální elektronické jednotce a zobrazována na displeji zařízení ve formě čísel, která ukazují vzdálenost. Pomocí těchto údajů specialisté kontrolují hladinu látek v nádrži.

Senzor se skládá z několika částí:

• antény – rozlišují rohovinové, trubicové, parabolické, rovinné a tyčové;
• jednotka pro příjem a vysílání signálu;
• signálový procesor;
• komunikační ovladač.

Výhodou radarového ovladače je, že jeho vlny mají tendenci procházet plastem a odrážet se přímo od kapaliny, jejíž hladina je řízena. Proto se senzory používají pro látky s agresivními vlastnostmi, například kyseliny. Zařízení je umístěno na horním plastovém krytu nádrže, kde nedochází k přímému kontaktu s agresivním prostředím.

Radarové ovladače jsou široce používány v čerpacích zařízeních pro čištění odpadních vod, protože se nebojí usazování, kontaminace a kondenzace. Zvláštností převodníku je, že dokáže současně vysílat a přijímat signál. V tomto případě nejsou v oblasti senzoru žádné mrtvé zóny a pravděpodobnost zaplavení nebo přetečení je zanedbatelná.

Jsou univerzální, mají vysokou přesnost, snadno se instalují a jsou cenově dostupné. Pracujte při teplotách od -40 do +90 °C.

Ultrazvukové

Používá se ke kontrole hladiny kapalných látek jak v otevřených nádobách, tak v uzavřených tlakových nádržích. Princip činnosti je podobný radaru, hlavním rysem je, že snímač vyzařuje spíše ultrazvukové vibrace než mikrovlny. Používá se k měření látek různé konzistence a chemického složení. V závislosti na modelu je přípustná provozní teplota od -30 do +90 °C.

• se osvědčil při práci s látkami různého složení: voda, olej, ropné produkty, kyseliny;
• nevyžaduje ponoření, takže může pracovat v agresivním prostředí;
• cenově dostupné;
• Některé modely mají vestavěné funkce GPS, SMS a vzdáleného přenosu informací.

Spolehlivost indikátorů zařízení je ovlivněna: teplotou, tlakem, větrem, vlhkostí, prachem, kondenzací. Aby zařízení fungovalo správně, je třeba vzít v úvahu všechny faktory. Z toho vyplývá, že podmínky, za kterých bude ultrazvukový měřič používán, se musí blížit ideálu.

Kapacitní radiometrické

Používá se pro automatické plnění nádob. Vybaveno elektrodami, které spolu se zásobníkem tvoří kondenzátor. Když je nádoba, na které je instalován kapacitní snímač, naplněna, mění se dielektrická konstanta. Tento proces způsobí změnu hodnoty kondenzátoru a projeví se v činnosti obvodu – do regulátoru dorazí signál.

Nainstalujte zařízení na stěnu nádrže, pokud sestává z dielektrického materiálu. Pokud nádoba dobře vede proud, pak se ve stěně vyřízne otvor a vloží se poklop z dielektrika (sklo, organické sklo). Čidlo se montuje blízko stěny, bez vzduchové mezery, aby byly údaje správné. Pokud je tělo snímače vyrobeno z nerezové oceli, je přípustná instalace zařízení uvnitř nádrže.

• mít odolné tělo z mosazi, nerezové oceli nebo plastu;
• odolává vysokým teplotám v závislosti na modelu od -25 do +105 °C;
• odolný vůči vysokému tlaku;
• snadná instalace.

Široce používané v chemickém a potravinářském průmyslu.

Provozní prostředí hladinových spínačů

U ponorných zařízení je velmi důležité prostředí, ve kterém bude pracovat. Pokud má měřená kapalina agresivní vlastnosti, musí být pouzdro a součásti snímače vyrobeny ze stabilního materiálu: polyvinylchlorid, keramika, fluoroplast.

Na správnost signálu a přijímaných dat má vliv chemické složení kapaliny a konzistence. Pro každý typ je nutné vybrat vhodný typ snímače.

Jak si vybrat snímač hladiny kapaliny: co hledat?

Díky novému vývoji je v prodeji obrovské množství senzorů pro monitorování hladiny kapalin. Abyste si vybrali správně a neudělali při nákupu chybu, zvažte několik faktorů:

• v jakém prostředí bude zařízení pracovat – chemické složení a hustota kapaliny;
• k jakému účelu je zařízení určeno – měření objemu nebo regulace hladiny;
• pracovní podmínky – vlhkost, prach, teplota, přítomnost mechanických vibrací.

Dodržováním doporučení je možné vybrat zařízení, které odpovídá charakteristikám jakéhokoli výrobního procesu.