Вибрационные датчики уровня

Типы датчиков.

Камертонная вилка, вибрационный стержень, вибрационная пластина.

Область применения.

Используются для определения уровня жидких, суспензий и сыпучих продуктов.

Давление процесса.

Камертонная вилка, вибрационный стержень: до 1,0 МПа избыточного.
Вибрационная пластина: до 20,7 МПа избыточного.

Температура процесса.

Камертонная вилка: -43…+93 °C.
Вибрационный стержень: -10…+80 °C.
Вибрационная пластина: -100…+149 °C.

Материалы смачиваемых частей.

Алюминий, углеродистая, нержавеющая сталь.

Минимальная плотность измеряемого вещества.

Камертонная вилка, вибрационная пластина: 16 кг/м³.
Вибрационный стержень: кажущаяся плотность 0,2.

Погрешность.

Основная: 8,00…17,25 мм, повторяемость: 3,0 мм.

Цена.

$300 до $500

Введение.

Вибрационный датчик уровня использует принцип постоянства собственной частоты колебаний зонда и переключения реле, если измеряемое вещество достигает колеблющегося элемента и демпфирует его. Пластины, стержни или камертонные вилки, различных видов, различаются только частотой собственных колебаний (пластина: 120 Гц, стержень: 200…400 Гц, камертонная вилка: 85 Гц) и физическими размерами и формой. Формы сигнализаторов подобны, хотя малое расстояние между перьями камертона делает его восприимчивым к налипанию и отложению измеряемого материала более, чем остальные формы сигнализаторов. Это не характерно для остальных типов зондов вибрационного сигнализатора, так как ограниченное количество отложений на поверхности зонда на приводит к срыву колебаний.

Область применений вибрационных датчиков уровня обширна и включает в себя порошки различных пластмасс, красителей, стиральных порошков, сахарная пудра, зерно, мука, зерна и порошок растворимого кофе, шоколад, сухое молоко, чайные листья, косметическая пудр, гранулы пластмасс, рис, пшеница, фасоль, угольная пыль, сахар и соль, различные суспензии и жидкости.

Вибрационный сигнализатор уровня

Конструкция вибрационного датчика уровня изображена на рисунке 1. Устройство состоит из электрического магнита, пера зонда и чувствительного элемента. Сердечник электрического магнита создает колебания на частоте 120 Гц, которые демпфируются, когда перо погружается в измеряемый материал. Чувствительный элемент состоит из постоянного магнита и электрической катушки, в которой создается выходной сигнал в несколько милливольт, когда перо колеблется. Когда перо покрывается измеряемым материалом, сигнал в чувствительном элементе уменьшается, одновременно отключая реле. Приварное уплотнение выступает в виде узловой точки колебательной системы сигнализатора. Датчик определяет уровень жидкость – жидкость, жидкость – парогазовая среда и парогазовая среда – сыпучие, потому что сигнализатор уровня достаточно чувствителен к малейшим изменениям плотности окружающего его материала.

Характеристики сигнализатора приведены на рисунках 2 и 3. Рисунок 2 показывает график выходного сигнала в милливольтах от величины погружения пера зонда. Кривая 1 описывает переключение сигнализатора для муки, кривая 2 для воды, кривая 3 для полиэтиленовых гранул, кривая 4 для кристаллического сахара. Можно заметить, что во всех четырех случаях, переключение происходит уже после погружения пера зонда в измеряемое вещество. Например, в случае воды (кривая 2), переключение происходит, когда уровень воды составляет около 10 мм над нижней частью пера зонда.

Кривые на рисунке 3 относятся к гранулированным порошкам различной плотности. Кривая 1 для плотности 960 кг/м³, кривая 2 для плотности 800 кг/м³, кривая 3 для плотности 640 кг/м³. Можно сделать вывод что для переключения, более легкий порошок требует большего уровня над пером зонда. В случает кривой 3 для порошка плотностью 640 кг/м³ сигнализатор срабатывает при возрастании уровня на 25 мм, что соответствует уровню в 6 мм над пером зонда вибрационного датчика уровня.

Датчик уровня с вибрационной пластиной использует, как для возрастающего уровня, так и для падающего, и может быть установлен в резервуарах и трубопроводах. Так же подобный вибрационный датчик можно использовать для измерения вязкости и плотности продукта. Если измеряемый продукт имеет свойство прилипать к перу зонда, эти отложения можно удалять периодической продувкой через соответствующие отверстия, как правило для таких веществ не рекомендуется использовать вибрационные датчики уровня. Соединительные провода между датчиком и исполнительным устройством должны быть экранированы и заземлены на обоих концах. Напряжение питания между 210 и 230 вольт не оказывает влияния на измерения.

Когда измеряемое сыпучее вещество становится сырым, существует вероятность возникновения явления кавитации. В таком случае амплитуда вибрации становиться такой, как при колебаниях в парогазовой среде. Таким образом, следует избегать применения вибрационных сигнализаторов для влажных сыпучих веществ. В случае, когда твердые частицы подвержены вибрации на частоте близкой 120 Гц, например в технологическом процессе, вибрационный метод измерения не реализуем, и поэтому должен быть исключен из рассмотрения.

Камертонная вилка

Камертонная вилка вибрационного датчика уровня колеблется на частоте собственного резонанса, около 85 Гц, посредством пьезоэлектрического элемента, расположенного вблизи основания вилки. Другой пьезоэлектрический элемент, расположенный в том же месте, определяет наличие колебаний или их отсутствие. Этот тип датчика малочувствителен к незначительным налипаниям и может работать при больших температурах, чем расчетные за счет продувки и охлаждения пьезоэлектрических элементов. Требования и рекомендации по их установке показаны на рисунке 4.

Когда работающий на частоте собственного резонанса вибрационный датчик уровня попадает в парогазовую среду, происходит самовозбуждение электромеханического контура сигнализатора, так как зонд колеблется на частоте собственного резонанса, около 85 Гц. Один электромагнит управляет механическими колебаниями зонда, а второй управляется этими колебаниями и генерирует соответствующий сигнал переменного тока. Этот сигнал обратной связи усиливается и передается частично вызывающему механические колебания электрическому магниту. Когда измеряемое вещество покрывает зонд вибрационного датчика уровня, колебания демпфируются и положительная обратная связь, а так же выходное напряжение исчезает. Колебания прекращаются. Реле, установленное в устройстве управления определяет состояние генератора и меняет свое состояние.

Преимущество вибрационного датчика уровня, основанного на положительной обратной связи состоит в том, что отложения на зонде вызывают ограниченный эффект, так как они только изменяют резонансную частоту колебаний зонда, но не прекращают колебаний. Поэтому такой вид датчика рекомендован для измерения вязких суспензий. Так же такая конструкция прибора рекомендована для сыпучих продуктов малой плотности до 16 кг/м³.

Вибрационный стержень

Для вибрационного стержня, как и для пластины вибрационного сигнализатора уровня используется энергия колебаний пьезоэлектрического элемента. Используются два элемента, один для создания колебаний на частоте 200…400 Гц, второй для приема этих колебаний. Когда зонд вибрационного датчика уровня погружается в измеряемый материал, колебания уменьшаются по амплитуде, это изменение вызывает срабатывание электронного блока. Для исключения влияния вибрации оборудования, следует выбирать сигнализатор с возможно большей частотой колебаний. Рисунок 5 показывает что вибрационный датчик должен быть установлен таким образом, чтобы избежать ложных срабатываний, при низком измеряемом уровне.

Заключение.

Вибрационный камертонный датчик уровня - надежный прибор, использующий простой принцип действия. Ввиду того, что такие датчики могут определять уровень продукта плотностью от 0,016 г/см³, они находят применение в различных областях для измерения уровня сыпучих продуктов. Ограничением вибрационных сигнализаторов, датчиков уровня является невозможность изменения их свойств без изменения конструкции датчика, например изменения длины или расположения зонда.