Легкий гайд по подбору датчика уровня сыпучих материалов
Для начала стоит выбрать вариант ответа на вопрос, какого типа измерения вам требуются: непрерывный контроль уровня или сигнализация уровня. Первый вариант требует от датчиков возможности выдавать информацию в виде аналоговой величины, пропорциональной уровню измеряемого материала. Для первого варианта оцените максимальный и минимальный контролируемый уровень. Второй вариант - это скорее «реле» уровня, которые дают сигнал о том, что материал находится на уровне, за который отвечает настройка или место установки датчика.
Вариант ветвления таков, что для первого варианта подходят датчики с физическим принципом Электрического (емкостного) типа (с опорным электродом, вместо которого может быть стенка резервуара), Ультразвукового типа (акустического), Радарного типа, Рефлексного микроволнового (волноводного) типа (Волноводный уровнемер). Для второго все остальное, ну за исключение поплавковых (хотя и их применяют, но я лично считаю этот метод не таким надежным, тк поплавок в жидкостях ведет себя более надежно, чем в сыпучих) да гидростатических: Ротационного принципа действия (вертушка), Емкостного принципа действия (Емкостной сигнализатор уровня), Вибрационного принципа действия (Вилка), а также некоторые из перечня непрерывных, которые настроены на сработку на определенный уровень.
Далее можно полистать поиском по статье https://vk.com/@-227423742-metody-izmereniya-urovnya-i-kakoi-luchshe-vybrat типы уровнемеров, чтобы оценить преимущества и недостатки, а так же оценить комплексную применимость в связи с остальными свойствами, которые я опишу ниже.
Второй вопрос: выберите вариант взаимодействия датчика уровня с контролируемой средой/материалом. Если контакт со средой необходимо исключить, есть смысл либо брать радарного или ультразвукового принципа действия, тк непосредственного контакта не будет.
Следующий вопрос: склонность материала к пылению и налипанию. Тут все сложно…пыление это явная проблема для ультразвуковых датчиков, разве что радарные могут это побороть, а вообще налипание (а если еще и совместно с пылением) создает проблему практически для всех типов датчиков, особенно контактных, например если использовать кондуктометрические или вибрационные, можно легко словить ложное срабатывание уровня при отсутствии реального материала в месте контроля. Налипший продукт также обеспечивает проводимость и датчик видит налипший материал так же, как и весь объем (см рисунок 2). Итог — ложные срабатывания. К тому же, данный способ практически неприменим для контроля неоднородных материалов, например для пищевки творога или сухого молока, тк их проводимость сложно измерить электродами небольшой площади.
Вроде бы в описании на вибрационные датчики встречается такое его преимущество, как работа с налипанием. Основа способа — измерение частоты вибрации чувствительного элемента датчика, которое генерирует пьезоэлемент в стальном корпусе, а сама вибрация уходит на пластины на конце датчика - вилку (из-за формы эти датчики так и называют - вибрационные вилки). Электронная часть датчика потом измеряет частоту вибрации и оценивает наличие материала (материал естественно сильно гасит не только амплитуду, но и заметно меняет частоту вибраций за счет своей массы).
По сравнению с кондуктометрическим, этот способ позволяет работать с более густыми средами и по умолчанию такие датчики выполняются в санитарном исполнении. Вибрационные датчики легко омываются распылительными моющими головками в автоматическом режиме. Еще одно преимущество этих датчиков состоит в том, что они не реагируют на пену, которая может появляться, например, в емкостях с моющими средствами в системах CIP-мойки в случаях применения в пищевке. Пена обладает очень малым механическим сопротивлением и не может повлиять на частоту вибрации датчика. Однако несмотря на небольшие размеры вилки некоторые среды/материалы могут прилипнуть к ней и вызвать срабатывание датчика уже после того, как уровень в емкости или трубе упал (рисунок 1).
Читал статьи про электромагнитные сигнализаторы уровня, удовлетворяющие требованиям по стойкости к помехам, но не совсем понял чем они отличаются конструктивно и технически от обычных емкостных датчиков. По описанию измерительная часть датчика представляет собой небольшую (1-2 см длиной) головку из материала PEEK, химически и температурно стойкого. Схемотехнически сенсор датчика является разорванным колебательным контуром, в котором не хватает конденсатора. В качестве конденсатора используется контролируемый продукт. Фактически, датчик измеряет не проводимость среды, а емкость конденсатора, образованного этой средой и корпусом датчика (стенками емкости).
Принцип действия заключается в испускании высокочастотной электромагнитной волны с наконечника датчика в емкость или трубу. Среда выступает в качестве конденсатора, емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости среды и вместе с катушкой в сенсоре датчика образует контур с определенной точкой переключения дискретного выхода.
В бак или трубу постоянно излучается электромагнитный импульс низкой мощности. По частоте импульса, поступившего на выход от колебательного контура можно судить об изменениях в свойствах среды — датчик мгновенно реагирует на появление продукта.
Чувствительность таких датчиков, как заявляет производитель, может быть настроена в очень широких пределах — датчик будет абсолютно стабильно реагировать как на сухое молоко, так и на жидкие продукты. В отличие от вибрационных, такой датчик можно подстроить в любой момент, гарантировав стабильные срабатывания. Продукт, полностью заполняющий бак, датчик "увидит" совсем иначе, чем продукт, просто налипший на сенсор (рисунок 3). Добавляем к этому возможность установки в трубу и получаем недорогой и надежный способ контроля. Датчик полностью решает проблему защиты винтовых творожных насосов от сухого хода — стабильность срабатываний гарантирована. Сыпучие среды тоже можно контролировать с его помощью — достаточно лишь повысить чувствительность датчика.
Мое мнение после прочтения статьи - датчик ничем более не отличается от емкостного, который действительно имеет широкие пределы настройки и действительно позволяет бороться с налипанием, хотя боюсь нужно пробовать, тк никогда сразу не понятно, какие пределы настройки будут предоставлены, либо читать отзыва по применению с конкретными материалами и толщиной ожидаемой «шубы».
Также я встречал статьи и по другим датчики (судя по названию, но не по сути как оказалось), например CleverLevel от Baumer у них тоже по описанию есть настройки для борьбы с этим пагубным явлением, а их название чуть отличается от указанных выше, а принцип у них указан емкостно-частотный.
Давайте разберемся поподробнее: по даташиту «Принцип работы: электрод внутри наконечника и корпус датчика образуют конденсатор, измеряемый материал имеет собственную диэлектрическую постоянную, от которой зависит значение емкости, датчик измеряет электрическую емкость между зондом и стенкой емкости, кроме того вместе с катушкой, находящейся в контактной части, образуется резонансный контур, как только измеренная резонансная частота достигает установленного порога срабатывания, происходит переключение выходного сигнала датчика». То есть налицо мы видим маркетинговый ход, и опять емкостной датчик только санитарного исполнения.
Ну чтож можно сделать вывод, что наиболее подходящий по частоте применения (а частоту я определил из того, что много производителей делают отдельные линейки и успешно их внедряют, то есть наличие референса) в случае контактной работы с пылящиими и налипающими продуктами, это емкостной тип (варианты описания емкостно-частотный или электромагнитный сигнализатор).
Применение подобных датчиков:
- Определение уровня пены;
- Определение границы раздела сред, в частности разграничение пена/жидкость;
- Поддержание заданного уровня в бункерах дозаторов;
- Определение уровня вязких жидкостей и сильно-налипающих сыпучих материалов;
- Контроль уровня в CIP (Cleaning in place) и SIP (Sterilization in place) мойках;
- Компактное исполнение для применения на трубопроводах подачи жидкостей в качестве датчика защиты насоса от сухого хода.
Хотя думаю ротационный тоже должен справиться, по идее сработка там происходит, когда прекращается вращение, обычно усилие подбирается под материал, когда материал придавлен и когда он просто свободно налип, это два разных состояния, соответственно если не требуется пищевое применение пожалуйста, можете использовать и ротационные…
Кстати можете глянуть еще микроволновые сигнализаторы предельного уровня, они используют в качестве источника обнаружения микроволновое излучение. По своему принципу работы они аналогичны фотоэлектрическим датчикам разнесенного типа (разнесенной оптике - излучатель-приемник) , но тут вместо света - микроволна – так называемым однолучевым оптобарьерам, а так же сигнализаторам уровня с радиоизотопным излучением. При пересечении излучения между передатчиком и приемником контролируемым объектом, формируется выходной сигнал. Расстояние между приемником и передатчиком микроволнового сигнализатора уровня может достигать 200 метров.
Далее можно оценить температуру материала/среды, ну тут уже надо бегать по даташитам на конкретные приборы, тк принцип обычно не определяет способность выдержать какие-то температурные условия.
Оцените емкость. Тут важен материал и способ и место крепления датчика. Если емкость открытая, не факт что получится закрепить датчки сверху, а большинство датчиков непрерывного измерения требуют именно этого способа. А сигнализаторы уровня наоборот обычно требуют установки через стенку емкости/бункера.
Ну можно конечно еще учесть допуски (взрывозащита, гигеенический сертификат), но это все решается когда уже выбраны ответы не перддыдущие вопросы.