Содержание статьи
- Введение: назначение систем контроля уровня бункеров
- Ультразвуковые датчики уровня
- Радарные датчики уровня
- Механические лопастные датчики
- Емкостные датчики уровня
- Вибрационные датчики уровня
- Монтаж и установка датчиков
- Системы сигнализации и интеграция с автоматикой
- Ведущие производители датчиков уровня
- Часто задаваемые вопросы
Введение: назначение систем контроля уровня бункеров
Системы контроля уровня заполнения бункеров представляют собой критически важный элемент современного производственного процесса в различных отраслях промышленности. Эти системы обеспечивают непрерывный мониторинг количества материала в емкостях для хранения сыпучих продуктов, предотвращая как переполнение, так и полное опустошение бункеров.
Основное назначение систем контроля заключается в предотвращении аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при переполнении бункера. Избыточное количество материала приводит к завалу технологического оборудования, просыпанию продукта и остановке производственной линии. С другой стороны, контроль минимального уровня не менее важен, поскольку работа дробилки или другого технологического оборудования при пустом бункере вызывает его преждевременный износ, перегрев и выход из строя.
Практический пример применения
На предприятии по производству строительных материалов система контроля уровня цемента в силосах позволяет автоматически управлять работой пневмотранспорта. При достижении максимального уровня система останавливает подачу материала, предотвращая переполнение. При снижении уровня до минимальной отметки оператор получает сигнал о необходимости пополнения запасов, что исключает простой дозирующего оборудования.
Автоматизация контроля уровня сыпучих веществ в бункерах решает несколько важных задач: способствует сохранению работоспособности механизмов на более длительный срок, обеспечивает получение точных данных о количестве материала, поддерживает баланс между недосыпанием и пересыпанием продуктов, минимизирует количество аварийных ситуаций, связанных с человеческим фактором.
Ультразвуковые датчики уровня
Ультразвуковые датчики уровня работают по принципу излучения и приема акустических волн. Прибор генерирует ультразвуковой импульс, который распространяется через воздушную среду внутри бункера до поверхности материала. Отраженный от поверхности сигнал возвращается к датчику, а встроенная электроника рассчитывает расстояние на основе времени прохождения сигнала и скорости звука в воздухе.
| Параметр | Характеристика |
|---|---|
| Диапазон измерения | От 0,5 до 60 метров |
| Точность измерения | ±0,2% от измеренного расстояния (типично ±10-50 мм) |
| Выходной сигнал | 4-20 мА, HART |
| Рабочая температура | От -40 до +80 градусов Цельсия |
| Питание | 11,4-40 В постоянного тока |
Расчет расстояния до материала
Формула расчета расстояния основана на времени прохождения ультразвукового сигнала:
L = (V × t) / 2
где L - расстояние до поверхности материала (м), V - скорость звука в воздухе (примерно 340 м/с при 20 градусах Цельсия), t - время прохождения сигнала туда и обратно (с).
Уровень заполнения бункера вычисляется как разность между высотой установки датчика и измеренным расстоянием.
Ультразвуковые датчики относятся к бесконтактным приборам, что является их значительным преимуществом. Они не требуют непосредственного контакта с измеряемой средой, что предотвращает загрязнение и преждевременный износ прибора. Однако существуют определенные ограничения в их применении. Основная проблема связана с влиянием пыли и парения материала внутри бункера. Взвешенные частицы в воздухе поглощают и рассеивают ультразвуковые волны, что снижает точность измерений или делает их невозможными.
Радарные датчики уровня
Радарные или микроволновые датчики уровня представляют собой наиболее совершенную технологию измерения уровня в бункерах. Принцип их работы основан на излучении электромагнитных волн в микроволновом диапазоне частот. Наиболее распространенным является метод непрерывной частотной модуляции сигнала, обозначаемый аббревиатурой FMCW.
При работе радарного датчика микроволновый генератор формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону. Этот сигнал излучается антенной в направлении поверхности материала, отражается от нее, и часть отраженного сигнала возвращается обратно в антенну. Разница частот между излученным и принятым сигналом прямо пропорциональна времени распространения электромагнитной волны до материала и обратно.
| Тип радарного датчика | Частота работы | Преимущества | Применение |
|---|---|---|---|
| Бесконтактные радарные | 26 ГГц, 80 ГГц | Высокая точность, узкий луч, устойчивость к пыли | Высокие бункеры, сложные условия |
| Волноводные радарные | Не применимо | Точность в малых емкостях, не зависит от пены | Небольшие бункеры до 10 м |
| Низкочастотные (6 ГГц) | 6 ГГц | Невысокая стоимость | Стандартные применения |
Главное преимущество радарных уровнемеров перед ультразвуковыми заключается в их полной независимости от условий окружающей среды внутри бункера. На работу прибора не влияют показатели влажности, наличие пыли, взвешенных частиц в воздухе и температура. Это обусловлено тем, что скорость распространения радиоволн значительно выше скорости звука и практически не зависит от состава среды распространения.
Сравнение возможностей радарных датчиков
Радарный датчик с частотой 80 ГГц обеспечивает ширину луча около 4 градусов, что позволяет фокусировать энергию на небольшом участке поверхности материала. Это критически важно при измерении уровня в высоких бункерах, где необходимо избежать влияния отражений от стенок и внутренних конструкций. Более низкочастотные датчики (26 ГГц) имеют ширину луча около 10-15 градусов и больше подвержены паразитным отражениям.
Контролируемый диапазон уровня и скорость измерения у радарных датчиков значительно выше по сравнению с ультразвуковыми приборами. Радарные уровнемеры можно устанавливать в глубокие емкости, силосы и бункеры высотой до 70 метров, где они будут быстрее реагировать на изменения степени наполнения. Кроме того, эти приборы подходят для установки в бункерах и емкостях, в которых отсутствует воздух или присутствуют агрессивные газы.
Механические лопастные датчики
Ротационные или лопастные датчики уровня представляют собой один из наиболее простых и надежных типов сигнализаторов предельного уровня. Чувствительный элемент датчика представляет собой лопасть, приводимую в непрерывное вращательное движение встроенным синхронным электродвигателем со скоростью примерно один оборот в минуту.
Принцип работы ротационного датчика основан на механическом взаимодействии вращающейся лопасти с материалом. В свободном режиме, когда датчик не контактирует с материалом, лопасть свободно вращается. Когда уровень материала достигает лопасти и она погружается в него, вращение прекращается из-за механического сопротивления. Останов вращения фиксируется встроенной электроникой, которая приводит в действие микропереключатель, формирующий сигнал индикации или управления.
| Компонент датчика | Назначение |
|---|---|
| Синхронный электродвигатель | Обеспечивает вращение лопасти с постоянной скоростью |
| Вращающаяся лопасть | Чувствительный элемент, контактирующий с материалом |
| Поворотная опора | Передает механическое усилие при остановке лопасти |
| Микропереключатели | Фиксируют положение опоры и управляют релейным выходом |
| Корпус прибора | Защита электроники от воздействия окружающей среды |
Ротационные датчики широко применяются для контроля уровня сыпучих порошкообразных продуктов в различных отраслях промышленности. В химической и пищевой промышленности, в медицине и строительстве эти приборы контролируют уровень разнообразных материалов: от строительных (песок, опилки, цемент, известь) до продуктов питания (мука, крупы, сахар). Диапазон используемых материалов может быть очень широким, что обусловлено универсальностью принципа действия датчика.
При опустошении емкости лопасть освобождается от контакта с материалом, поворотная платформа возвращается в исходное положение, микропереключатели освобождаются, и электродвигатель снова приводит лопасть во вращательное движение. Это циклическое действие обеспечивает надежный контроль уровня при многократных циклах заполнения и опорожнения бункера.
Емкостные датчики уровня
Емкостные датчики уровня работают на основе измерения изменения электрической емкости конденсатора, образованного измерительным зондом датчика и стенкой бункера или опорным электродом. Принцип действия основан на том, что диэлектрическая проницаемость сыпучего материала отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, поэтому при изменении уровня материала изменяется емкость измерительного конденсатора.
Конструкция емкостного датчика включает зонд в форме стержня, который служит одной обкладкой конденсатора, и вторичный преобразователь, содержащий электронику для измерения емкости и формирования выходного сигнала. Когда зонд частично или полностью погружен в материал, емкость конденсатора увеличивается пропорционально уровню материала. Электронный блок датчика непрерывно измеряет это изменение и преобразует его в выходной сигнал.
Принцип измерения емкости
Емкость конденсатора определяется формулой:
C = ε₀ × εᵣ × S / d
где C - емкость конденсатора, ε₀ - электрическая постоянная, εᵣ - относительная диэлектрическая проницаемость среды, S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.
При заполнении бункера сыпучим материалом с диэлектрической проницаемостью выше, чем у воздуха, емкость измерительного конденсатора увеличивается, что регистрируется электроникой датчика.
Емкостные датчики эффективно работают с различными типами сыпучих материалов. Однако их применение требует учета специфических свойств контролируемого продукта. Диэлектрическая проницаемость материала должна отличаться от диэлектрической проницаемости воздуха в достаточной степени, чтобы обеспечить надежное измерение. Кроме того, влажность материала может влиять на его диэлектрические свойства, что необходимо учитывать при настройке датчика.
| Материал | Диэлектрическая проницаемость | Особенности измерения |
|---|---|---|
| Воздух | 1,0 | Базовое значение для сравнения |
| Цемент сухой | 3-4 | Хорошие условия для измерения |
| Песок сухой | 3-5 | Надежное измерение |
| Зерно | 3-8 | Зависит от влажности |
| Мука | 2-4 | Возможно налипание на зонд |
Важным преимуществом емкостных датчиков является отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надежность и долговечность прибора. Датчики могут работать в широком диапазоне температур и давлений, устойчивы к вибрациям и механическим воздействиям. Однако необходимо учитывать возможность налипания материала на зонд датчика, что может исказить результаты измерений.
Вибрационные датчики уровня
Вибрационные датчики уровня признаны одними из наиболее надежных приборов для контроля предельного уровня сыпучих материалов в бункерах. Принцип их работы основан на изменении параметров колебаний чувствительного элемента при контакте с материалом. Чувствительный элемент представляет собой вилку или штыревой резонатор, которые вибрируют на собственной резонансной частоте под действием пьезоэлектрического привода.
Встроенный пьезоэлектрический кристалл возбуждает механические колебания вилки с частотой около 150 Герц для контроля сыпучих сред. В свободном состоянии, когда датчик находится в воздухе, вилка вибрирует с максимальной амплитудой около трех миллиметров на своей резонансной частоте. При погружении вилки в сыпучий материал частицы продукта демпфируют колебания, что приводит к изменению резонансной частоты и амплитуды вибрации.
Практический пример работы вибрационного датчика
При заполнении бункера цементом датчик, установленный на высоте максимального допустимого уровня, находится в режиме ожидания с вибрирующей вилкой. Как только уровень цемента достигает вилки датчика, частицы материала начинают контактировать с вибрирующими элементами. Это приводит к резкому изменению механической резонансной частоты колебаний. Электроника датчика мгновенно фиксирует это изменение и переключает релейный выход, который может остановить подачу материала в бункер или включить звуковую и световую сигнализацию.
Микропроцессорный блок управления непрерывно контролирует резонансную частоту колебаний чувствительного элемента. Когда присоединенная масса колебательной системы изменяется вследствие контакта с материалом, микропроцессор регистрирует отклонение частоты от номинального значения и активирует релейный выход. Фактическое значение резонансной частоты, при котором происходит переключение реле, находится между собственной частотой резонанса вилки в воздухе и частотой резонанса в наименее плотном контролируемом продукте.
| Преимущество | Описание |
|---|---|
| Универсальность | Работают с материалами минимальной насыпной плотности от 50 кг/м³ |
| Устойчивость к внешним факторам | Не зависят от пыли, влажности, электромагнитных полей |
| Надежность | Простая конструкция без сложных движущихся частей |
| Быстродействие | Мгновенная реакция на контакт с материалом |
| Долговечность | Длительный срок службы без необходимости частого обслуживания |
Вибрационные датчики работают в широком диапазоне температур и давлений. Современные модели имеют степень защиты корпуса до IP68, что позволяет использовать их в самых тяжелых условиях эксплуатации. Датчики устойчивы к налипанию материала, турбулентности потока и завихрениям сыпучего продукта, пенообразованию в случае жидких сред. Эти качества делают вибрационные датчики предпочтительным выбором для многих промышленных применений.
Монтаж и установка датчиков
Правильный монтаж датчиков уровня является критически важным фактором, определяющим надежность и точность работы всей системы контроля. Выбор места установки должен учитывать конструктивные особенности бункера, свойства контролируемого материала и особенности технологического процесса загрузки и выгрузки.
Для бесконтактных датчиков, таких как ультразвуковые и радарные уровнемеры, предпочтительным местом установки является верхняя крышка бункера по центральной оси емкости. Такое расположение обеспечивает минимальное влияние боковых стенок на распространение сигнала и позволяет получить наиболее точные измерения. Датчик должен быть направлен строго вертикально вниз перпендикулярно поверхности материала.
| Тип датчика | Место установки | Высота установки для максимального уровня | Высота установки для минимального уровня |
|---|---|---|---|
| Ультразвуковой | Верхняя крышка бункера | На крыше, зона нечувствительности 0,3-0,5 м | Не применяется |
| Радарный | Верхняя крышка бункера | На крыше, мертвая зона 0,1-0,3 м | Не применяется |
| Лопастной | Боковая стенка бункера | На 0,3-0,5 м ниже максимального уровня | На 0,2-0,3 м выше минимального уровня |
| Вибрационный | Боковая стенка бункера | На уровне максимального заполнения | На уровне минимального остатка |
| Емкостной | Боковая стенка или сверху | Длина зонда до максимального уровня | Конец зонда на минимальном уровне |
Контактные датчики, такие как лопастные, вибрационные и емкостные приборы, устанавливаются на боковой стенке бункера на высоте контролируемого уровня. При установке датчиков максимального уровня необходимо предусмотреть защиту от прямого попадания падающего материала во время загрузки бункера. Для этого датчик монтируется под небольшим углом или используется защитный козырек.
Для вибрационных датчиков рекомендуется монтаж под наклоном с использованием специального навеса над чувствительным элементом. Это предотвращает засыпание датчика при интенсивной загрузке бункера и защищает от ложных срабатываний. Угол наклона обычно составляет от 15 до 30 градусов от горизонтали.
Типовая схема установки датчиков в бункере
В типовом бункере для хранения цемента высотой 15 метров и диаметром 3 метра устанавливаются следующие датчики: радарный уровнемер на верхней крышке для непрерывного измерения уровня с выходным сигналом 4-20 мА, вибрационный датчик максимального уровня на высоте 14 метров от дна для предотвращения переполнения, вибрационный датчик минимального уровня на высоте 2 метров от дна для контроля остатка материала. Все датчики подключены к контроллеру, который управляет работой пневмотранспорта и разгрузочным шлюзовым затвором.
Системы сигнализации и интеграция с автоматикой
Современные системы контроля уровня заполнения бункеров являются неотъемлемой частью общей автоматизированной системы управления технологическим процессом. Сигналы от датчиков уровня поступают на контроллеры, которые анализируют информацию и формируют управляющие воздействия на исполнительные механизмы.
Сигнализация о достижении критических уровней заполнения реализуется несколькими способами. Световая сигнализация предусматривает установку сигнальных ламп или светодиодных индикаторов на панели оператора или непосредственно на бункере. Обычно используется цветовая кодировка: зеленый цвет означает нормальный уровень, желтый предупреждает о приближении к предельному значению, красный сигнализирует о критической ситуации.
| Уровень сигнализации | Тип сигнала | Действие системы автоматики | Действие оператора |
|---|---|---|---|
| Максимальный | Красный свет + сирена | Останов питателя, закрытие заслонки | Контроль остановки подачи |
| Предупредительный высокий | Желтый свет | Снижение производительности питателя | Подготовка к остановке загрузки |
| Нормальный рабочий | Зеленый свет | Нормальная работа оборудования | Мониторинг процесса |
| Предупредительный низкий | Желтый свет | Сигнал на увеличение подачи материала | Подготовка к пополнению запасов |
| Минимальный | Красный свет + звуковой сигнал | Останов дозатора или дробилки | Срочное пополнение бункера |
Звуковая сигнализация включается при достижении критических уровней и требует подтверждения оператором. Используются различные тональности звуковых сигналов для различения типа аварии. Современные системы также предусматривают передачу сигналов в диспетчерскую через промышленные сети связи с отображением информации на мониторах операторских станций.
Интеграция датчиков уровня с системой автоматики осуществляется через различные типы выходных сигналов. Датчики непрерывного измерения уровня выдают аналоговый сигнал 4-20 миллиампер, который пропорционален текущему уровню заполнения. Этот сигнал поступает на аналоговый вход контроллера, где преобразуется в цифровое значение уровня в процентах или в единицах измерения длины.
Преобразование аналогового сигнала в уровень
Формула пересчета токового сигнала в процент заполнения:
Уровень (%) = ((I - 4) / 16) × 100
где I - значение тока в миллиамперах. При токе 4 мА уровень составляет 0%, при токе 20 мА уровень составляет 100%.
Для пересчета в абсолютные значения высоты материала используется формула:
H = Hmax × Уровень (%) / 100
где H - текущая высота материала, Hmax - максимальная высота бункера.
Сигнализаторы предельного уровня имеют релейные выходы, которые коммутируются при достижении установленного уровня. Релейный контакт может быть нормально замкнутым или нормально разомкнутым в зависимости от логики работы системы. При достижении максимального уровня релейный выход датчика размыкает цепь управления питателем, что приводит к его остановке и прекращению подачи материала.
При снижении уровня до минимального значения датчик формирует сигнал, который может выполнять несколько функций одновременно: останавливать работу дозирующего или транспортирующего оборудования во избежание его работы впустую, включать звуковую и световую сигнализацию для оповещения оператора, формировать сообщение в систему диспетчеризации о необходимости пополнения запасов материала, автоматически включать загрузочное оборудование для пополнения бункера.
Пример интеграции в систему управления бетонным заводом
На бетонном заводе система контроля уровня цемента в силосах интегрирована с общей системой управления производством. Радарные датчики непрерывно измеряют уровень цемента в четырех силосах и передают данные в контроллер через сигнал 4-20 мА. Контроллер отображает текущий уровень в тоннах на экране оператора и автоматически переключает подачу цемента из разных силосов для обеспечения непрерывной работы дозаторов. При снижении уровня ниже 20% система автоматически формирует заявку на доставку цемента и отправляет ее поставщику через интернет. Вибрационные датчики максимального уровня предотвращают переполнение силосов при разгрузке цементовозов.
Ведущие производители датчиков уровня
На мировом рынке приборов контроля уровня представлена продукция многих производителей, однако лидирующие позиции занимают несколько крупных компаний, которые специализируются на разработке и производстве измерительной аппаратуры для промышленной автоматизации.
VEGA Grieshaber
Немецкая компания VEGA является одним из ведущих мировых производителей датчиков уровня и давления. Продуктовая линейка включает ультразвуковые датчики семейства VEGASON, радарные уровнемеры серии VEGAPULS, волноводные радарные датчики VEGAFLEX. Приборы VEGA отличаются высокой надежностью и могут эксплуатироваться в экстремальных условиях, включая высокие температуры, давление, агрессивные среды.
Радарные уровнемеры VEGA используются для бесконтактного контроля уровня жидких сред и сыпучих материалов в различных отраслях промышленности. Применение радарных датчиков VEGA возможно на агрессивных средах и при повышенных санитарных требованиях. Измерители качественно и точно контролируют уровни сыпучих сред разного размера в зернохранилищах и рудных бункерах. Пыль, шум, помехи в виде осадков, накипи, испарений или конденсатов не являются помехой для применения радарных уровнемеров VEGA.
Endress+Hauser
Группа компаний Endress+Hauser является мировым лидером в области измерительной аппаратуры и предлагает комплексные решения для промышленной автоматизации. Компания производит широкий ассортимент датчиков уровня, основанных на различных физических принципах: ультразвуковые уровнемеры серии Prosonic, радарные датчики Micropilot, вибрационные сигнализаторы Liquiphant, емкостные приборы серии Liquicap.
Продукция Endress+Hauser используется во всех отраслях промышленности: нефтегазовой, пищевой, химической, фармацевтической, энергетике. Компания предлагает не только приборы, но и полный комплекс услуг, включающий проектирование систем измерения, пусконаладочные работы, техническое обслуживание и обучение персонала. Сервисная поддержка осуществляется через сеть региональных представительств по всему миру.
Siemens
Концерн Siemens производит широкий спектр приборов автоматизации, включая датчики уровня различных типов. Продукция Siemens отличается высокой степенью интеграции с системами управления и возможностью работы в промышленных сетях связи. Датчики Siemens широко применяются в металлургии, энергетике, химической промышленности и других отраслях, где требуется высокая надежность оборудования.
| Производитель | Страна | Основные серии продукции | Особенности |
|---|---|---|---|
| VEGA Grieshaber | Германия | VEGAPULS, VEGASON, VEGAFLEX | Высокая устойчивость к экстремальным условиям |
| Endress+Hauser | Швейцария | Prosonic, Micropilot, Liquiphant | Полный спектр технологий измерения |
| Siemens | Германия | SITRANS серия | Интеграция с системами управления |
| Emerson (Rosemount) | США | Rosemount 5708, 5400 | 3D сканирование объема бункеров |
| ЭМИС | Россия | ЭМИС-ПУЛЬС, ЭМИС-СИГНАЛ | Адаптация под российские условия |
Российские производители
На российском рынке представлена продукция отечественных производителей контрольно-измерительных приборов. Компании ЭМИС, Лимако, Теко и другие производят датчики уровня, адаптированные к условиям эксплуатации на российских предприятиях. Отечественные приборы часто имеют преимущество в плане технической поддержки и сервисного обслуживания, а также более доступны по стоимости при сопоставимых технических характеристиках.
