Technologické procesy v moderním světě vyžadují časté měření objemu palivových materiálů, plnění vodou a jinými kapalnými látkami. Pro sledování naplnění jakékoli nádoby kapalinou v automatickém režimu se používá snímač hladiny kapaliny. V tomto článku se podíváme na hlavní typy a princip oddělení hladinoměrů.

Zařízení a princip činnosti

Dnes existuje obrovské množství snímačů hladiny kapalin, které se liší jak designem, tak způsobem měření. S ohledem na to budeme zařízení uvažovat na příkladu nejjednoduššího plovákového modelu hladinoměru. Konstrukčně se plovákový snímač hladiny kapaliny skládá z následujících součástí:

  • plovák 1 – určený k interakci s povrchem kapaliny;
  • vlnovec 2 – je citlivý vlnitý prvek schopný zachovat si své vlastnosti při opakovaných mechanických deformacích;
  • příruba 3 – slouží pro připojení k montážní ploše, umožňuje zvýšit těsnost upevnění
  • mikrospínač 4 – spouští se pohybem plováku v geometrické rovině, pro zamezení interakce s vlhkostí je umístěn v utěsněném pouzdře.
  • těsnění 5 – slouží k utěsnění otvoru a zabránění úniku kapaliny z nádoby.

Princip činnosti takového senzoru je založen na Archimedově síle jakékoli kapaliny.

Princip činnosti snímače hladiny kapaliny

Rýže. 2. Princip činnosti snímače hladiny kapaliny

Když je senzor umístěn v nádobě s kapalinou, plovák interaguje s hladinou. Působením Archimedovy síly je plovák vytlačen a je ve stejné poloze jako hladina.

Když je poloha kapaliny uprostřed, plovák 1 zůstane v neutrální poloze, signál ze spínače nedorazí na ovládací panel nebo panel alarmu. Pokud je nádrž naplněna do polohy 2, plovák se zvedne výše a přesune mikrospínač do odpovídající polohy. Pokud kapalina v nádrži klesne pod jmenovitou hladinu, plovák se přesune do spodní polohy 3 a posune kontakty mikrospínače. Pokaždé se na výstupu senzoru objeví odpovídající signál o stupni naplnění, princip fungování se však bude lišit v závislosti na typu zařízení.

Odrůdy podle typu

Existuje široká škála kritérií, podle kterých lze snímače hladiny klasifikovat. Počínaje principem činnosti a konče způsobem přenosu signálu. Všechny senzory však lze rozdělit do dvou velkých skupin – kontaktní a bezkontaktní.

kontakt

Kontaktní senzor je zařízení, které ke svému fungování vyžaduje fyzický kontakt s měřeným povrchem. Zpravidla se takové senzory používají v podmínkách vystavení faktorům, které výrazně komplikují měření – vysoká teplota nebo tlak. Hojně se používají i pro práci s pěnícími kapalinami, kde vrchní vrstva může vnést značnou chybu při měření jinými metodami. Všechna kontaktní zařízení lze podle principu činnosti rozdělit do následujících typů:

  • Kapacitní – skládá se ze dvou desek ponořených v kapalině. Měření se provádí na principu kondenzátoru, jehož kapacita se bude měnit v závislosti na výšce kapalinové náplně prostoru mezi deskami kondenzátoru. Často se používá pro nádoby s malým objemem kapaliny. Vyznačují se nízkou přesností měření, ale pracují bez pohyblivých částí, což výrazně zvyšuje jejich spolehlivost.
  • Hydrostatický – na základě Pascalova zákona. Měří rozdíl hydrostatického tlaku v nádrži, který závisí pouze na výšce sloupce kapaliny. Mají dobrou přesnost, ale lze je použít pouze v nádobách, kde je tlak srovnatelný s atmosférickým tlakem. Nejsou vhodné pro kapaliny s proměnlivou hustotou.
  • Bypass – využívají principu komunikujících nádob, u takových senzorů se informace o hladině měřené kapaliny zobrazují nejzřetelněji. Když se změní výška sloupce v hlavní nádrži, senzor zobrazí tyto údaje na vlastním hladinoměru. Takové modely se však nepoužívají v podmínkách nad +250°C a v prostředích, která s klesající teplotou zvyšují svou vlastní viskozitu.
  • Magnetický – jsou podtypem plovákových snímačů, protože hladina kapaliny je měřena plovákem pohybujícím se po hermeticky uzavřené trubici. Uvnitř tubusu je jazýčkový spínač, který se spustí, když se plovák s magnetem přiblíží nebo oddálí.
  • Reflexní mikrovlnná trouba – princip činnosti těchto senzorů je založen na reflektometrii v závislosti na časovém intervalu. Vysílač směrových vln vyšle signál a senzor vnímá rychlost návratu pulsu.
ČTĚTE VÍCE
Jaký je rozdíl mezi rázovým utahovákem a rázovým utahovákem?

Hlavní nevýhodou těchto modelů je nutnost ponořit zařízení v celé jeho hloubce, což není vždy vhodné pro velké nádrže. Na rozdíl od jiných snímačů hladiny kapalin však reflexní modely nezávisí na přítomnosti nebo nepřítomnosti pěny, pevných částic plovoucích v tloušťce nebo na povrchu nebo dielektrické konstantě.

Bezkontaktní

Bezkontaktní snímače jsou zařízení, která ke své funkci nevyžadují fyzický kontakt s měřeným povrchem. Taková zařízení se používají v agresivním kapalném prostředí, kde je možné rychlé opotřebení senzorových prvků vlivem aktivních součástí. Instalují se také do viskózních kapalin a prostředí s vysokou viskozitou. Všechny bezkontaktní senzory jsou konvenčně rozděleny do následujících kategorií:

  • Ultrazvukové – jsou jedním z nejběžnějších typů bezkontaktních snímačů hladiny kapalin. Princip činnosti je založen na schopnosti kapaliny odrážet ultrazvukové spektrum záření. Ultrazvukový generátor, neslyšitelný pro lidské ucho, vysílá signál z horního bodu do rozhraní mezi médii. Když narazí na kapalinu, signál se odrazí a vrátí zpět do senzoru, kde je senzorem snímán. V závislosti na době pohybu ultrazvuku se udělá závěr o hladině v nádrži.
  • Radarová mikrovlnná trouba – obdoba předchozí možnosti, až na to, že předmětem měření není ultrazvuk, ale mikrovlny.

Významnou nevýhodou snímačů radarového typu je jejich náchylnost k plynovým polštářům, které se mohou hromadit nad hladinou kapaliny.

Vzhledem k nebezpečí expozice živým organismům je to nejdražší a nejméně obvyklá varianta. Při jeho používání jsou nutná další bezpečnostní opatření pro obsluhující personál.

Odrůdy podle funkčnosti

Kromě rozdílů v principu interakce s měřeným médiem a principu činnosti se mohou snímače hladiny kapalin lišit také ve způsobu přenosu signálu. Všechna zařízení ohledně principu signalizace změny polohy hladiny jsou rozdělena na hladinoměry a alarmy.

Hladinoměry.

Hladinoměry znamenají zařízení, která neustále sledují aktuální polohu horní hrany měřeného média. S ohledem na to neustále vysílají signál o provedených měřeních nebo poskytují data na stupnici. V závislosti na způsobu zobrazení informací mohou být digitální nebo analogové.

Alarmy.

Alarmy, na rozdíl od hladinoměrů, nesledují neustále hladinu kapaliny, ale spouští se pouze při dosažení určité prahové hodnoty. V takových zařízeních kapalina, klesající nebo stoupající, pohybuje citlivým prvkem. Které v určité poloze spouští relé, spínač nebo mikrokontrolér.

ČTĚTE VÍCE
Jaké tři požadavky musí splňovat dětské postele v mateřské škole?

Který z nich si vyberete?

Při výběru konkrétního modelu snímače hladiny byste měli věnovat pozornost následujícím charakteristikám:

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

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.

Plovákový spínač pro ovládání čerpadla

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.
ČTĚTE VÍCE
Co je hospodárnější: průtokový nebo zásobníkový ohřívač vody?

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.

Princip činnosti ultrazvukového snímače hladiny

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.

Měření hladiny kapalin pomocí konduktometrických senzorů

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).

Kapacitní snímač hladiny

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.

ČTĚTE VÍCE
Jak se od sebe indukční varné desky liší?

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

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.

Měření náplně pomocí gyroskopického senzoru

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.

ČTĚTE VÍCE
Co dělat, když se chladnička po odmrazení nezapne?

Ovládací okruh vodního čerpadla

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: