В большом количестве промышленных применений необходимо определять наличие или уровень жидких или сыпучих материалов в трубах, резервуарах, ящиках и других закрытых и открытых пространствах. Для электропроводящей жидкости, такой как вода, и легкого обнаружения ее присутствия можно использовать только два металлических стержня, которые при залитии водой электрически соединяются, и таким образом включается индикация.

Этот простой принцип используется, например, для контроля затопления теплообменной станции под домом. Но в случае надежного и более точного обнаружения или обнаружения неэлектропроводных материалов необходимо использовать другие методы. Здесь уместно использовать описанный ниже способ по принципу гашения металлических колебаний — вибрирующие вилки или щупы.

Принцип работы датчика уровня вибрации

Сам основной физический принцип очень прост. Всем наверняка известен принцип работы механического тюнера, где «кусок металла» в форме вилки вибрирует от удара, например молотка, а потом долго резонирует на своей механической резонансной частоте. Колебания вилок передаются колебаниям молекул воздуха и таким образом раздается звуковой сигнал с частотой, равной частоте колебаний металла. Если мы поместим рядом еще одну такую ​​же ноту настройки, она также будет резонировать. Однако из-за трения о воздух или, возможно, о другой материал колебания затухают, когда амплитуда (прогиб) колебаний изменяется вплоть до полного затухания.

По такому же принципу работают и так называемые вибрационные вилочные датчики уровня. Проще говоря, это оценка затухания механических колебаний из-за контакта резонирующей вилки с обнаруженным материалом.

Датчики/детекторы уровня вибрации, или иногда называемые датчиками уровня, обнаруживают затухание или изменение частоты колебаний, возникающих при погружении датчика вибрации в среду. Обычно существует три версии датчиков вибрации:

• Переключатель Рида
• Зонд
• Вилка

В практике промышленного использования сегодня наиболее распространены второй и третий варианты, резонансная/вибрационная частота которых обычно находится в диапазоне от 100 до 400 Гц.

Одним из самых интересных является последний вариант — вибрирующая вилка. 

На практике это выглядит почти как два конца отвертки, встроенной в цоколь, и теперь обычно изготавливается из таких материалов, как PVDF, полипропилен, нержавеющая сталь или алюминий. Тефлон используется в тех случаях, когда необходимо добиться качественной самоочищающейся способности. Способность к самоочищению важна в высоковязких сыпучих материалах или жидкостях, так что после понижения и повышения уровня или уровня происходит самая быстрая и выраженная реакция на это изменение. С другой стороны, под конструкцией датчика уровня типа вибрационного зонда может встречаться вибрирующая «трубка» из нержавеющей стали или тефлона.

В остальном оба варианта работают по одному и тому же принципу: пьезоэлектрический элемент (пьезокристалл), действующий как преобразователь переменного напряжения для механических колебаний, вибрирует и поддерживает механические колебания датчика на резонансной частоте вилки или зонда. Погружая датчик в жидкость или сыпучий материал, колебания гасятся или изменяется резонансная частота, которая оценивается с помощью второго пьезокристалла с внутренней электроникой, обычно управляемой микропроцессором.

В обычном промышленном исполнении датчики/детекторы уровня вибрации снабжены самим датчиком (блоком вибрации), цепями оценки и цепями коммутационных выходов, которые также позволяют переключать силовую нагрузку. Пример блок-схемы двух конструкций детекторов, отличающихся конструкцией выхода, показан на рис. 5. В первой схеме (ВТО) выход состоит из контактов реле, позволяющих коммутировать сетевые напряжения и токи в несколько ампер. Напротив, схема VT1 имеет на выходе переключающий транзистор с открытым коллектором и логический вывод ОВ, который подходит для подключения к ПЛК.

 Блок-схема датчика уровня вибрации Промышленный дизайн датчиков

Обычное промышленное исполнение датчиков уровня вибрации аналогично промышленным датчикам температуры и давления для установки в трубопроводах. Сам корпус, защищающий внутреннюю электронику и контакты, обычно изготавливается из прочного пластика, алюминия или нержавеющей стали. Сконструированные таким образом датчики рассчитаны на диапазон температур от -100 до 150°С, высокую влажность окружающей среды и запыленность (обычно степень защиты от IP65 до IP68). Вибрирующие измерительные части могут тогда иметь длину от 60 до 3000 мм и быть устойчивыми к коррозии и высоким давлениям закрытых сосудов, а также к давлению свыше 200 фунтов на квадратный дюйм, что составляет примерно 14 бар (преобразование 1 фунт на квадратный дюйм = 0,069 бар). Затем материал выбирается в соответствии со свойствами обнаруживаемого вещества.

Примеры промышленного исполнения датчика уровня вибрации вилочного (слева и посередине) и щупового (справа) типов.

С точки зрения электрических свойств данные о напряжении питания и конструкции выходов, вероятно, являются едва ли не самыми важными в каталоге. Таким образом, источник питания может быть переменного напряжения (AC) часто в диапазоне от 24 до 230 В или, конечно, постоянного тока, обычно где-то в диапазоне от 12 до 60 В постоянного тока. Выход может быть аналоговым, где рост напряжения или тока (токовая петля) прямо пропорционален росту уровня, или чаще переключаемый или логический, когда выход замыкается или уровень напряжения изменяется при повышении уровня выше определенного уровня. Их можно найти в следующих конструкциях:

• Переключаемые контакты силового реле — могут переключать переменное напряжение до 260 В и ток до 10 А
• Твердотельные переключатели — могут коммутировать токи в сотни мА и работать в режиме NPN или PNP
• 3-проводной выход PNP/NPN с переключаемым транзистором — для токов в сотни мА и десятки В (например, 55 В и 350 мА)
• Транзисторный логический выход с открытым коллектором — для небольших токов и подключения к сигнальным входам, таким как ПЛК
• Логический выход TTL / CMOS — ток переключения не более 10 мА

Время реакции вывода обычно составляет от сотен мс до единиц секунд в зависимости от параметра и свойств обнаруживаемых жидкостей или твердых материалов.