Датчики уровня

Проведем классификацию датчиков уровня используемых в настоящее время в промышленных системах автоматического регулирования и выделим из их числа, наиболее подходящий к нашей системе.

За основной классификационный признак датчиков уровня выберем их принцип действия.

По принципу действия датчики уровня делятся на следующие группы:

1. Поплавковые датчики уровня;

2. Гидростатические датчики уровня;

3. Датчики уровня, основанные на использовании физических свойств жидкости;

4. Датчики уровня сыпучих и кусковых материалов.

Рассмотрим каждую группу в отдельности и выделив в каждой группе достоинства и недостатки относительно нашей системы.

2.1. Поплавковые датчики

Поплавковые датчики состоят из элемента, воспринимающего изменения уровня жидкости — поплавка, преобразователя перемещения или силы в выход­ной сигнал и элементов механической связи. Подъемная сила поплавка (рис. 1) в общем случае, по закону Архимеда, равна:

Рис. 1. Поплавок в зоне раздела двух сред.

(1)

где V — объем поплавка; S (х) — площадь сечения поплавка; у — удельный вес жидкости, в которую погруже­на нижняя часть поплавка; y₀ — удельный вес среды над поверхностью жидкости. Для поплавка постоянного сечения: (2), где h — высота поплавка.

Соотношения (1) И (2) пригодны для расчета датчиков уровня поверхности раздела двух не­смешивающихся жидкостей. Для открытой поверхности жидкости можно пре­небречь удельным весом газа приэтом:

Для поплавка постоянного сечения:

, (3)

Возможны два принципа построения поплавковых датчиков (рис. 2, а и б). В первой схеме (рис. 2, а) противодействующая сила создается весом поплавка:

,

соответственно уровень погружения поплавка постоя­нен:

к ,

и последний повторяет изменения уровня H. Выходным преобразо­вателем служит датчик перемещения любой системы.

Во второй схеме (рис. 2, б) противодействующее усилие создается пружиной и изменяется при перемещении поплавка:

,

где x_n — перемещение поплавка; К — жесткость упругого элемента. Перемещение поплавка x_n определяется из выражения:

, (4)

и может быть сделано значительно меньше изменения уровня х. При использо­вании в качестве выходного преобразователя датчика усилия (магнитоупругого, компенсационного) .

Для цилиндрического поплавка

, (5)

Рис. 2. Схемы поплавковых датчиков уровня: а — с поплавком постоянного погружения; б и в — с поплавком переменного погружения.

Для сосудов, сечение которых меняется по любому закону S_с=f (х), может быть подобрана форма поплавка, обеспечивающая линейную связь между весом жидкости и величиной x_n. Для этого, очевидно, требуется, чтобы сечение поплавка было линейно связано с сечением сосуда S=mf(х) и вес поплавка G был ском­пенсирован внешней силой. Из формулы (4) имеем:

где G_ж—вес жидкости, налитой до уровня х.

Пример использования этого принципа для сосуда шаровой формы приведен на рис. 2, в. [24].

Поплавки изготовляются металлическими и стеклянными, пустотелыми или из пробки, пористого стекла, пластмассы и других легких материалов. Для изме­рения уровня раздела между двумя жидкостями требуется выполнение условия:

Y₀<Y_n<Y.

где Y_n — объемный вес поплавка; Y₀ и V — удельные веса жидкостей.

Передача перемещения поплавка исполнительному органу через стенку со­суда, при необходимости герметизации, может осуществляться различными ме­тодами, представленными на рис. 3.

Рис. 3. Способы передачи перемещения поплавка через стенку сосуда: а — с помощью сильфона; б — с помощью мембраны; в—с помощью торсионной трубки; гид — с помощью магнитного поля.

На рис. 4 показаны схемы реле уровня с магнитоуправляемыми контак­тами (см. разд. I, гл. 3). В обеих схемах на поплавке укреплен постоянный магнит, а контакты располагаются за герметизирующей перегородкой.

Точность поплавковых датчиков определяется постоянством характеристик его элементов. Изменение характеристик элементов, создающих противодействую­щее усилие, приводит к погрешности, определяемой соотношениями (3) и (5). В датчиках, схема которых показана на рис. 2, а, для снижения погрешностей целесообразно увеличивать площадь поплавка 5. Изменение удель­ного веса жидкости (вследствие изменения состава иди температуры) влечет за собой погрешность, определяемую теми же уравнениями.

Недостатками поплав­ковых датчиков является наличие подвижных частей и трудность изготовления поплавка, рассчитанного на высокие давления.

Рис. 4. Схемы реле уровня с магнитоуправляемыми контактами; а — многопозиционное реле; б—однопозиционное реле; 1 — поплавок;2 — постоянный магнит; 3 —магнитоуправляемый контакт; 4 — герме­тизирующая трубка; 5 — клемная колодка.