Podstawy techniki pomiaru poziomu

W zależności od wymagań procesu, w przemyśle stosowane są dwa główne rodzaje technik pomiaru poziomu: ciągły pomiar poziomu i punktowy pomiar poziomu. Różnica między tymi dwoma technikami pomiarowymi polega na tym, że punktowy pomiar poziomu wykorzystuje przełączniki poziomu do wykrywania tylko obecności poziomu w określonym punkcie lub określonym położeniu. Kiedy czujnik wykryje obecność poziomu, zostanie uruchomione binarne wyjście przełączające.

W technologii ciągłego pomiaru poziomu, czujnik pomiarowy w sposób ciągły mierzy poziom w zakresie od 0 do 100% i dostarcza wyjście analogowe, które jest proporcjonalne do zmierzonego poziomu.

Sygnalizatory poziomu używane są zazwyczaj jako urządzenia zabezpieczające przed przepełnieniem oraz jako zabezpieczenie przed suchobiegiem pomp w połączeniu z czujnikiem do ciągłego pomiaru poziomu, ale niektóre proste aplikacje do kontrolowania poziomu mogą być również wykonywane przy użyciu samych sygnalizatorów poziomu.

Rysunek 1 - Technika ciągłego pomiaru poziomu i wykrywania poziomu

Rysunek 2 - Radar w przestrzeni swobodnej (po lewej) i radar z falą kierowaną (po prawej)

Radarowe przetworniki poziomu są ciągłymi miernikami poziomu dla cieczy i granulowanych ciał stałych, wykorzystującymi fale elektromagnetyczne jako metodę pomiarową. Radarowe urządzenia do pomiaru poziomu nadają się do szerokiego zakresu zastosowań we wszystkich sektorach przemysłu. Przykładem mogą być pomiary poziomu w zbiornikach buforowych, rzekach, pomiar poziomu morza, mediów agresywnych, odpadów chemicznych, wina, wody i ścieków, mleka wapiennego, bitumu, cementu oraz technika pomiaru przepływu w kanałach otwartych.

Dla tego typu instrumentów dostępne są dwie metody pomiaru: czas przelotu – Time-of-flight (ToF) i fale ciągłe modulowane częstotliwością – FMCW. W metodzie time-of-flight impuls elektromagnetyczny jest emitowany przez przekładnik instrumentu, impuls przechodzi przez powietrze, jest odbijany od powierzchni medium i wraca do instrumentu. Poziom można określić, mierząc czas powrotu impulsu do czujnika.

W metodzie FMCW z instrumentu emitowana jest fala elektromagnetyczna o stale modulowanej częstotliwości, która rozchodzi się w powietrzu i jest odbijana od powierzchni medium. Zmiany poziomu powodują przesunięcie częstotliwości. Różnica częstotliwości między sygnałem emitowanym a odbitym służy do określenia poziomu.

Innym rodzajem radaru często używanym w przemyśle jest czujnik radarowy z ukierunkowaną falą. Wykorzystują oni metodę pomiaru czasu przelotu, ale w tym przypadku impulsy są kierowane na powierzchnię cieczy za pomocą metalowej sondy. Skupia to sygnał na mniejszym obszarze, co jest szczególnie interesujące w przypadku instalacji w małych pomieszczeniach oraz w przypadku cieczy o niskiej przenikalności elektrycznej, takich jak oleje.

Radarowe przetworniki poziomu

Zalety radarowych przetworników poziomu

• Technologie radarowe mogą być stosowane w przypadku ciał stałych i płynów
• Pomiar jest niezależny od warunków procesu, takich jak gęstość, temperatura, ciśnienie i lepkość
• Pomiar bezdotykowy, z wyjątkiem radarów z falą kierowaną
• Wysoka dokładność i niezawodność w porównaniu z innymi technikami pomiaru poziomu
• Odpowiedni w przypadku wysokich temperatur i ciśnień

Ograniczenia radarowych przetworników poziomu

• Aby pomiar był wiarygodny, wymagana jest minimalna stała dielektryczna medium
• Silne turbulencje na powierzchni medium mogą wpływać na pomiar
• Wewnętrzne struktury zbiornika, takie jak mieszadła, sygnalizatory poziomu i wężownice grzejne mogą powodować zakłócenia pomiaru
• Radar z falą kierowaną nie jest zalecany do stosowania przy mediach lepkich
• Kosztowne w porównaniu z innymi technologiami

Ultradźwiękowe przetworniki poziomu są ciągłymi miernikami poziomu dla cieczy i ciał stałych, wykorzystującymi jako metodę pomiarową ultradźwięki, tj. fale mechaniczne o wysokich częstotliwościach. Ultradźwiękowe urządzenia do pomiaru poziomu napełnienia mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, np. do pomiaru poziomu w podziemnych zbiornikach wody, zbiornikach oleju, stawach i jeziorach, do pomiaru granulowanych ciał stałych w silosach i na hałdach oraz do pomiaru przepływu w kanałach otwartych.

Czujniki ultradźwiękowe do pomiaru poziomu wykorzystują zasadę czasu przelotu jako metodę oceny, podobnie jak radar, ale nie używają one fal elektromagnetycznych, ale dźwiękowych, czyli mechanicznych. Urządzenie pomiarowe wysyła impuls, który przemieszcza się w powietrzu, odbija się od powierzchni medium i wraca do urządzenia pomiarowego. Poziom można określić poprzez zmierzenie czasu potrzebnego na powrót emitowanej fali dźwiękowej do urządzenia pomiarowego.

Odkryj ultradźwiękowe przetworniki poziomu

Rysunek 3 – Ultradźwiękowe przetworniki poziomu

Zalety ultradźwiękowych przetworników poziomu

• Bezdotykowy pomiar
• Pomiar nie zależy od przenikalności elektrycznej cieczy, co stanowi dobrą alternatywę dla olejów
• Zmiany gęstości nie mają na niego wpływu

Ograniczenia przepływomierzy ultradźwiękowych

• Nie zaleca się stosowania w przypadku piany i turbulencji na powierzchni płynów
• Pył, opary, kondensacja i zmiany temperatury otoczenia mogą mieć wpływ na pomiar.
• Nieregularne kształty wewnątrz zbiornika mogą prowadzić do utraty sygnału
• Nie nadaje się do pomiaru w zbiornikach z podciśnieniem
• Ograniczenia w zakresie wartości temperatury i ciśnienia w porównaniu z innymi technologiami

Rysunek 4 - Montaż bezpośredni (po lewej), sonda hydrostatyczna (po prawej)

Przetwornik ciśnienia do montażu bezpośredniego

Czujnik ciśnienia względnego można zamontować na dnie lub na ścianie zbiorników bezciśnieniowych, aby zmierzyć poziom cieczy. Poziom jest wprost proporcjonalny do ciśnienia wywieranego przez słup cieczy nad czujnikiem. Z reguły 100 mbar odpowiada słupowi wody o wysokości 1 metra. Należy pamiętać, że różne ciecze mają różne wartości gęstości, więc zależność między ciśnieniem a poziomem może być inna.

Tutaj znajdziesz czujniki ciśnienia względnego

Sondy hydrostatyczne

Jeśli nie jest możliwe zainstalowanie przetwornika ciśnienia w zbiorniku lub w zbiorniku podziemnym, można zastosować sondę hydrostatyczną, zwaną również przetwornikiem ciśnienia hydrostatycznego, działającą na tej samej zasadzie pomiarowej. Przetwornik ciśnienia znajduje się teraz wewnątrz zbiornika i zanurza się w cieczy.

Hydrostatyczne czujniki ciśnienia

W przypadku zbiorników ciśnieniowych, aby zmierzyć poziom cieczy za pomocą przetwornika ciśnienia, należy skompensować ciśnienie wewnątrz zbiornika, tak aby nie miało ono wpływu na technikę pomiaru ciśnienia hydrostatycznego. Można to zrobić za pomocą przetwornika różnicy ciśnień.

Przetwornik różnicy ciśnień jest przeznaczony do pomiaru różnicy ciśnień pomiędzy dwoma punktami. Jeden punkt pomiarowy znajduje się na dnie zbiornika i mierzy ciśnienie hydrostatyczne, które jest dodawane do ciśnienia w zbiorniku, drugi punkt pomiarowy znajduje się na górze zbiornika i mierzy tylko ciśnienie w zbiorniku. Urządzenie może wtedy skompensować ciśnienie w zbiorniku i w rezultacie dostarcza pomiar tylko ciśnienia hydrostatycznego. Innym rozwiązaniem dla tego scenariusza jest użycie dwóch oddzielnych czujników ciśnienia względnego. W tym przypadku jednak obliczenia kompensacyjne muszą być wykonane zewnętrznie w systemie sterowania.

Rysunek 5 – Technika pomiaru poziomu za pomocą przetworników różnicy ciśnień

Zalety techniki pomiaru poziomu za pomocą przetworników ciśnienia

• Proste i ekonomiczne rozwiązanie w zakresie techniki pomiaru poziomu
• Znana metoda pomiaru
• Niezawodne i dokładne pomiary

Ograniczenia techniki pomiaru poziomu za pomocą przetworników różnicy ciśnień

• Dotyczy tylko płynów
• Zmiany temperatury wpływają na gęstość cieczy, co ma wpływ na dokładność pomiaru
• W przypadku bezpośredniego kontaktu z cieczą, agresywnym medium, mogą być wymagane dodatkowe akcesoria, np. uszczelki
• Nie zalecane dla płynów o dużej lepkości
• Mieszadła mogą powodować impulsy ciśnienia, które wpływają na pomiar

Rysunek 6 – Laserowe przetworniki czujniki poziomu

Zalety laserowych przetworników poziomu:

• Wąski kąt emisji
• Emiter lasera może być umieszczony w dowolnym miejscu na pokrywie zbiornika, nawet wzdłuż jego ściany
• Możliwe bardzo niskie czasy odświeżania pomiaru
• Technologie laserowe mogą być stosowane zarówno w przypadku ciał stałych jak i płynów
• Na pomiar nie ma wpływu gęstość materiału ani stała dielektryczna

Ograniczenia laserowych przetworników poziomu

• Wzburzony pył może zakłócić wiązkę lasera
• Nie zalecane do zastosowań, w których może wystąpić piana
• Nie nadaje się do przezroczystych płynów

Pojemnościowe przetworniki poziomu są używane do ciągłego pomiaru poziomu cieczy. Ponieważ są proste, niezawodne i ekonomiczne w porównaniu z innymi technologiami, pojemnościowe czujniki poziomu mogą być dobrym rozwiązaniem do pomiaru poziomu wody, olejów i kwasów.

Pojemnościowe czujniki poziomu, jak sama nazwa wskazuje, działają na zasadzie pomiaru pojemności. Sonda pomiarowa i ścianki zbiornika tworzą kondensator, którego pojemność zmienia się w zależności od zmiany poziomu. Elektronika urządzenia może wtedy odnieść wartość pojemności do poziomu cieczy. Jeżeli zbiornik jest wykonany z materiału nieprzewodzącego, np. z tworzywa sztucznego, należy użyć sondy uziemiającej. Niektóre modele pojemnościowych przetworników poziomu mogą w tym celu mieć wbudowaną sondę uziemiającą .

Odkryj pojemnościowe czujniki poziomu

Film 1: Podstawy pojemnościowego pomiaru poziomu (w języku angielskim)

Zalety pojemnościowych czujników poziomu:

• Odpowiednie dla płynów przewodzących i nieprzewodzących
• Pomiar powierzchni cieczy
• Ekonomiczna technologia
• Specjalne modele mogą być używane do mediów lepkich

Ograniczenia pojemnościowych przetworników poziomu

• Technologia w kontakcie z mediami
• Instalacja w zbiornikach plastikowych wymaga zastosowania sondy uziemiającej
• Zmiany przenikalności elektrycznej medium mogą wpływać na pomiar

Zalety pojemnościowych sygnalizatorów poziomu

• Pojemnościowe sygnalizatory poziomu są dostępne dla ciał stałych i cieczy
• Ekonomiczna technologia
• Specjalne modele mogą być używane do mediów lepkich

Ograniczenia pojemnościowych sygnalizatorów poziomu

• Technologia interwencyjna
• Instalacja w zbiornikach plastikowych wymaga zastosowania sondy uziemiającej
• Dla ciał stałych wymagana jest minimalna stała dielektryczna

Film 2: Podstawy wibracyjnego pomiaru poziomu

Wibracyjne sygnalizatory poziomu napełnienia, znane również jako wibracyjne sygnalizatory poziomu, są urządzeniami stosowanymi do punktowego wykrywania poziomu cieczy i granulowanych ciał stałych. Należą do najszerzej stosowanych i niezawodnych rozwiązań do punktowej detekcji poziomu w różnych gałęziach przemysłu, takich jak przemysł spożywczy i przemysł napojów, a także przemysł farmaceutyczny, chemiczny i petrochemiczny.

Wibracyjne sygnalizatory poziomu działają na zasadzie częstotliwości rezonansowej widełek stroikowych. Napęd wzbudza widełki stroikowe do ich częstotliwości rezonansowej. Gdy widełki pokryją się płynem, płyn tłumi drgania, przesuwając częstotliwość rezonansu. Układ elektroniczny urządzenia może wykryć zmianę częstotliwości i w ten sposób określić obecność płynu.

W przypadku wibracyjnych sygnalizatorów poziomu dla granulatów stałych sposób działania jest bardzo podobny, ale w tym przypadku nie monitoruje się już częstotliwości, ale amplitudę drgań. Obecność materiału sypkiego zmienia amplitudę drgań i jest wykrywana przez elektronikę urządzenia.

Tutaj znajdziesz wibracyjne sygnalizatory poziomu

Zalety wibracyjnych sygnalizatorów poziomu

• Wibracyjne sygnalizatory poziomu są kompaktowe i łatwe do zainstalowania
• Nie wymagają konserwacji
• Nie mają na nie wpływu właściwości cieczy, takie jak przewodność, gęstość, ciśnienie i temperatura
• Odpowiednie do zastosowań, w których występują turbulencje cieczy, piana lub ciecze tworzące pęcherze
• Występują model z powłoką dla zapewnienia kompatybilności chemicznej

Zalety wibracyjnych sygnalizatorów poziomu

• Metoda interwencyjna
• Nie zaleca się stosowania w przypadku lepkich mediów z silnym osadem

Konduktometryczne sygnalizatory poziomu są używane do punktowego wykrywania poziomu cieczy i są opłacalną metodą, zwłaszcza w prostych zastosowaniach, takich jak dwupunktowa kontrola poziomu cystern i zbiorników wodnych oraz zabezpieczenie pomp przed suchobiegiem.

Krótko mówiąc, konduktometryczny sygnalizator poziomu składa się z sondy uziemiającej i jednej lub kilku sond detekcyjnych. Do sondy uziemiającej i sond detekcyjnych podawane jest napięcie zmienne. Gdy tylko ciecz pokryje zarówno sondę uziemiającą, jak i sondę detekcyjną, tworzy się obwód elektryczny. Układ elektroniczny urządzenia wykrywa przepływ prądu elektrycznego w tym obwodzie. W ten sposób rejestrowany jest poziom napełnienia.

W przypadku zbiorników metalowych sam zbiornik może być wykorzystany jako sonda uziemiająca; w takim przypadku można użyć przetwornik poziomu z sondą.

Napięcie zmienne zapobiega korozji i uszkodzeniom elektrolitycznym sond. Podane napięcie jest całkowicie nieszkodliwe i nie ma ryzyka porażenia prądem w przypadku dotknięcia sond.

Konduktometryczne sygnalizatory poziomu

Rysunek 7 – Konduktometryczne sygnalizatory poziomu

Zalety konduktometrycznych sygnalizatorów poziomu

• Proste i ekonomiczne rozwiązanie do wykrywania poziomów
• Sondę można przyciąć do pożądanej długości w zależności od modelu
• Wiele punktów detekcji, w zależności od modelu

Ograniczenia konduktometrycznych sygnalizatorów poziomu

• Działa tylko z płynami przewodzącymi
• Ograniczenia temperatury i ciśnienia

Rysunek 8 – Łopatkowy sygnalizator poziomu

Łopatkowe sygnalizatory poziomu to sygnalizatory poziomu służące do wykrywania poziomu ziarnistych materiałów sypkich, takich jak zboże, cukier, kreda, proszek, wióry drzewne itp. W zależności od gęstości medium można wybrać różne konstrukcje wirników.

Łopatkowy czujnik poziomu składa się z silnika elektronicznego, który wprawia łopatkę w ruch obrotowy. Gdy tylko łopatka zostanie pokryte ciałami stałymi, silnik zatrzymuje się, a układ elektroniczny jednostki może wykryć obecność poziomu.

Więcej łopatkowych sygnalizatorów poziomu

Zalety łopatkowych sygnalizatorów poziomu

• Prosta budowa i działanie
• Odpowiednie dla różnych wielkości ziaren i gęstości
• Niezależność od właściwości elektrycznych materiału

Ograniczenia łopatkowych sygnalizatorów poziomu

• Stosowane tylko ciał stałych
• Ruchome części mogą się z czasem zużywać
• Metoda interwencyjna

Pływakowe sygnalizatory poziomu należą do najprostszych metod pomiaru poziomu cieczy i są bardzo tanim rozwiązaniem dla prostych zastosowań, takich jak sterowanie pompami w cysternach z wodą. Pływakowe sygnalizatory poziomu mogą mieć różną konstrukcję i zasady działania w zależności od producenta i modelu, ale wszystkie mają jeden wspólny element: pływak.

W jednym z najprostszych wariantów w plastikowym korpusie znajduje się swobodnie poruszająca się metalowa kulka, która powoduje zamykanie i otwieranie elektrycznych styków. Jeśli nie ma płynu, pływak wskazuje w dół, jeśli jest płyn, pływak wskazuje w górę. Metalowa kulka podąża za tym ruchem i przełącza styki elektryczne.

Poznaj nasze pływakowe sygnalizatory poziomu

Rysunek 9 - Działanie pływakowego sygnalizatora poziomu

Zalety pływakowego sygnalizatora poziomu

• Ekonomiczne rozwiązanie
• Prosta instalacja i uruchomienie
• Modele podstawowe nie wymagają zasilania

Ograniczenia pływakowych sygnalizatorów poziomu

• Metoda interwencyjna
• Odpowiednie tylko do płynów
• Zazwyczaj są wykonane z prostych materiałów, które z czasem mogą się zużywać lub wchodzić w reakcje z niektórymi płynami.
• Nie zaleca się stosowania w przypadku lepkich mediów z silnym osadem
• Ograniczenia temperatury i ciśnienia

Potrzebujesz pomocy w wyborze czujnika poziomu do swojej aplikacji? Nasz zespół inżynierów jest do Twojej dyspozycji w razie jakichkolwiek pytań:

Wyślij wiadomość e-mail do naszego zespołu inżynierów

Zadzwoń do ekspertów już teraz

Tu znajdziesz wysokiej jakości czujniki poziomu:

Odwiedź stronę z urządzeniami z kategorii Pomiar poziomu