Кондуктометрический датчик что это
Конструкция и принцип действия датчика уровня кондуктометрического типа
Повсеместно, особенно в отрасли питания на стадии производства встает вопрос о предупреждении(сигнале) при наполнении емкости определенного количества той или иной жидкости. Известно множество способов как этого достичь. Использование датчика уровня кондуктометрического типа считается одним из простых и оптимальных решений с точки зрения финансовых затрат. Датчики данного типа взаимодействуют с жидкостью электропроводностью свыше 0.2 См/м такой, как питьевая вода, щелочь, кислоты и жидкости пригодные к употреблению в пищу.
Схема последовательности действий датчика уровня состоит в том, что момент срабатывания напрямую зависит от уровня и расположения электрода, который, замыкается на корпусе емкости либо на собственном электроде, создавая при контакте с жидкостью электрический ток в цепи.Тем самым приводя в действие реле контролируя определенную схему.
Датчик данного типа по определению способен функционировать при давлении до 6.3 МПа, и температуре до +350°С, что зависит от материала изоляции контакта, который должен быть указан на упаковке или инструкции.
Факторами, негативно влияющими на функционирование датчика могут являться чрезмерные испарения, вспенивание и отложения препятствующие правильной работе устройства, в местах особо подверженных этому.Как правило, на стадии производства все эти недочеты стараются учитывать и использовать соответствующий материал.
Взглянем с точки зрения физики на принцип кондуктометрии; функционирование датчика. Электропроводность и сопротивление проводника подразумевает проводимость раствором тока.
Приведенные факторы тесно связанны со свойствами химического характера в растворяемом веществе ионов; самого вещества: их температура, подвижность, концентрация, заряд и так далее.
Величины измерения: Сопротивление(Ом*см);электропроводность(См*см).
Кондуктометрическая ячейка — уязвимый элемент, обусловленный константой ячейки.
Принцип — жидкость и воздух различаются по электропроводности, что демонстрируют электроды.Становится возможным отслеживать уровни так как существует многоэлектродный датчик.
Будучи одним из стальных электродов который является объединяющим в цепи датчика уровня кондуктометрического типа. При установке в емкости его рабочая часть должна контактировать с жидкостью. В свою очередь корпус емкости выполняет роль общего электрода. Размещаясь на уровнях остальные электроды являются сигнальными нуждаясь при этом в контроле.
Оказавшись в контакте с жидкостью при наполнении емкости, сигнальные электроды по порядку замыкаются, что в итоге приводит к срабатыванию функции сигнала.
Для емкостей из метала подходит датчик одно электродного типа. Датчик бывает с пластмассовыми, керамическими либо фторопластовыми.Стальные стержни.Большое внимание уделяется строению датчиков, которое обязано избавить от ложных срабатываний при жидкостных излишках.
Датчики уровня ОВЕН кондуктометрического и поплавкового типов
Компания ОВЕН серийно производит сигнализаторы и уровнемеры кондуктометрического и поплавкового типов для контроля уровня жидкостей в открытых и закрытых резервуарах. Основное отличие уровнемера от сигнализатора заключается в непрерывном измерении уровня, а не только его предельных значений. Датчики ОВЕН отличаются простотой монтажа, надежностью измерений, механической прочностью и доступной ценой, они могут устанавливаться в технологических емкостях и товарных резервуарах любой формы и размера.
Кондуктометрические датчики уровня ОВЕН
Датчики уровня кондуктометрического типа (рис. 1) предназначены для защиты от переполнения емкостей, предохранения насосов от «сухого» хода, контроля одного или нескольких уровней электропроводных жидкостей (более 0,2 См/м). К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, растворы солей, вода, пищевые продукты и пр. Датчики не пригодны для работы с клейкими и диэлектрическими жидкостями.
Принцип действия датчиков основан на измерении сопротивления среды. Электрод определяет текущий уровень жидкости. В металлических резервуарах корпус может служить общим электродом. Остальные электроды являются сигнальными, их количество соответствует числу контролируемых уровней. В неметаллических резервуарах количество электродов должно быть на единицу больше числа контролируемых уровней, поскольку один из них служит общим электродом (рис. 2). Его длина должна быть максимальной по отношению к остальным электродам, а рабочая часть должна находиться в постоянном контакте с жидкостью.
Рис. 2. Применение кондуктометрических датчиков уровня
Преимущества кондуктометрических датчиков ОВЕН:
Кондуктометрические датчики бывают одно- и многоэлектродными (рис. 2).
Одноэлектродные датчики уровня
Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС (табл. 1) могут применяться в резервуарах открытого и закрытого типа при температуре среды не выше 240 0 С.
Универсальный датчик ДС.ПВТ предлагается на замену ДС.К и ДС.1, он предназначен для работы с избыточным давлением до 2,5 МПа, например, в котлоавтоматике. ДС.ПВТ имеет три типа присоединительной резьбы: М18х1,5; М20х1,5; G1/2.
Электроды датчиков ДС из нержавеющей стали 12Х18Н10Т имеют длину: 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м.
Стержень 1,95 м с адаптером имеет резьбу с двух сторон, что позволяет наращивать длину до 10 м. Разборная конструкция датчика обеспечивает удобство транспортировки.
Многоэлектродные датчики уровня
Многоэлектродные датчики уровня серии ОВЕН ДУ (табл. 2) предназначены для сигнализации уровней жидкости (неагрессивной к материалу датчика) в резервуарах открытого типа.
Трех-, четырех- и пятиэлектродные датчики (ДУ.3, ДУ.4, ДУ.5) длиной 0.5, 1.0, 1.95, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0 м контролируют до пяти уровней в металлических резервуарах, до четырех уровней – в резервуарах из диэлектрических материалов.
Трехэлектродный датчик ДСП.3 предназначен для сигнализации двух–трех уровней жидкости. Датчик может устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа и комплектуется стержнями, как и одноуровневые. ДСП.3 крепится посредством резьбового соединения.
Рис. 3. Поплавковые датчики уровня
ДСП.3 применяется в резервуарах для хранения воды, водонапорных станциях, очистных и поливочных сооружениях, бассейнах.
Поплавковые датчики уровня
ОВЕН Поплавковые датчики уровня применяются для измерения и сигнализации уровня различных жидкостей (воды, растворов, легких нефтепродуктов), в том числе агрессивных жидких сред, за исключением коррозионно-активных к материалу датчика. В отличие от кондуктометрических поплавковые датчики работают не только с электропроводными, но и с неэлектропроводными жидкостями. Датчики могут устанавливаться в резервуарах открытого и закрытого типа.
Простота конструкции поплавковых датчиков гарантирует надежность и экономичность обслуживания. Они состоят из поплавка с магнитом внутри и штока с герконами, срабатывающими при приближении к магниту. Датчики устойчивы к пене и пузырькам, могут работать с вязкими жидкостями, а также при высоких температурах и давлениях, но не годятся для измерения липких, засыхающих и замерзающих жидкостей, а также жидкостей с механическими включениями.
Поплавковые датчики уровня ОВЕН (рис. 3) производятся в общепромышленном и взрывозащищенном исполнениях. Они могут применяться совместно с сигнализаторами уровней ОВЕН САУ и БКК1, а также самостоятельно, управляя исполнительными механизмами через промежуточное реле или контактор.
По режиму работы датчики уровня подразделяются на дискретные сигнализаторы уровня (ПДУ) и уровнемеры для непрерывного измерения уровня (ПДУ-И).
Преимущество поплавковых датчиков ОВЕН:
Поплавковые сигнализаторы ПДУ
Для сигнализации уровня используются одно- и двухуровневые датчики с цилиндрическим поплавком ОВЕН ПДУ-1, ПДУ-2, с шарообразным поплавком ПДУ-3 (табл. 3, рис. 4). Готовится к производству трехуровневая модель серии ПДУ-3.
Рис. 5. Принцип действия поплавкого
датчика уровня ПДУ-И
Датчики ПДУ производятся с нормально-разомкнутыми и нормальнозамкнутыми типами контактов. Для подключения к считывающим устройствам датчики снабжены проводами НВ 0,35 или силиконовым кабелем AWG24. Датчики выпускаются с вертикальным и горизонтальным типом монтажа.
Поплавковый датчик уровня ПДУ-И
Поплавковый датчик уровня ОВЕН ПДУ-И предназначен для непрерывного преобразования уровня жидкости в унифицированный выходной аналоговый сигнал 4…20 мА (рис. 5). ПДУ-И используются в составе систем контроля уровня жидкости, в том числе в резервуарах под давлением, они рассчитаны на диапазон преобразования до 4000 мм с дискретностью ±10 или ±5 мм.
Принцип действия ПДУ-И: поплавок с постоянным магнитом вместе с уровнем жидкости перемещается по штоку, в котором находится матрица герконов и сопротивлений. Под воздействием магнитного поля происходит срабатывание герконов, цепь замыкается по схеме трехпроводного потенциометра. При изменении уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика, которое преобразуется в выходной сигнал 4…20 мА, пропорциональный уровню жидкости.
Линейка поплавковых датчиков расширяется, готовятся к выпуску: датчик уровня с выходным аналоговым сигналом 4…20 мА во взрывонепроницаемой оболочке; датчик с интерфейсом RS-485. Кроме поплавковых, разрабатывается ультразвуковой датчик уровня ОВЕН УДУ150 с двумя релейными выходами, выходным аналоговым сигналом 4…20 мА и с интерфейсом RS-485.
Применение поплавковых датчиков
Поплавковые датчики уровня ОВЕН имеют все регламентирующие нормативные документы для их применения на промышленных объектах.
Поплавковые датчики могут использоваться в условиях сильной вибрации и волнения жидкости, например, для контроля уровня в транспортных средствах: грузовиках, тепловозах, танкерах. Для устранения влияния вибрации жидкости поплавковый датчик помещают в демпферную трубу диаметром большим размера поплавка.
Датчики ПДУ эксплуатируются на судах, поскольку на них получено свидетельство Российского морского регистра судоходства.
В течение длительного времени датчики применяются на особо ответственных объектах, таких как Мосводоканал, ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», новосибирский водоканал, очистные станции Москвы и области.
Таблица 1. Модификации и основные параметры одноэлектродных датчиков
Кондуктометры
Кондуктометрические методы анализа и назначение приборов
Кондуктометрические методы анализа основаны на измерении удельной электропроводности исследуемых растворов.
Электричество переносится через растворы электролитов находящимися в растворе ионами, несущими положительные и отрицательные заряды. Для предотвращения электролиза при измерении электропроводности растворов используют переменный ток.
Электропроводность зависит от многих факторов и, в частности, от природы вещества, растворителя и концентрации. Измеряя электропроводность, можно определить содержание различных веществ и их соединений в исследуемых растворах. Электропроводность растворов определяется с помощью кондуктометров различных конструкций, измеряя электрическое сопротивление слоя жидкости, находящейся между двумя электродами, опущенными в исследуемый раствор.
Однако возможно непрерывно измерять удельную электрическую проводимость электропроводящих растворов бесконтактным индуктивным способом.
Кроме того, можно наблюдать за изменением электропроводности раствора в процессе химического взаимодействия. В зависимости от принципа измерения методы классифицируют на:
В зависимости от методов и назначения существуют различные конструкции кондуктометров.
Кондуктометры позволяют решать многие практические задачи, в том числе для осуществления непрерывного контроля производством. Их используют для контроля очистки воды, оценки сточных вод, контроля солей в минеральной, морской речной воде. Определение электропроводности- один из методов контроля качества пищевых продуктов: молока, вин, напитков и т. д. Нередко при анализе смесей электролитов измерение электропроводности сочетают с измерением других величин (рефракции, вязкости, рН, плотности и т. д.).
Принцип действия и устройство кондуктометров
Электропроводность раствора электролита может быть найдена, если измерить активное сопротивление между погруженными в него электродами. Для измерения сопротивления пользуются переменным током, так как постоянный ток вызывает электролиз и поляризацию электродов. Источником тока обычно служат генераторы звуковой частоты.
Сопротивление раствора электролита определяют путем сравнения с эталонным сопротивлением. Для этого используют мостик Утстона (рис.1). Сопротивления R1, R2, R3, R4 можно подобрать так, чтобы ток в диагонали мостика отсутствовал, т. е. сопротивление его ветвей было пропорционально друг другу. Измеряемое сопротивление R4 можно найти по формуле:
R4=R3 R2/R1
Сопротивления R1 и R2 выбирают постоянными или сохраняют постоянными их соотношение; R3 может изменяться. Таким образом, при балансировке моста регулируют сопротивление R3 и находят сопротивление R4. В качестве нуль — индикатора применяют осциллографы, гальванометры переменного тока или (после выпрямления) постоянного тока, цифровые вольтметры.
Рис.1. Мостик Уитстона:
R1, R2, R3, R4- плечи моста; С- переменная емкость; 1- звуковой генератор; 2- индикатор нуля; 3- электролитическая ячейка.
Условия равновесия моста применимы к переменному току, если R1, R2, R3, R4 — активные сопротивления. Однако на мостике переменного тока силу тока в диагонали нельзя свести к нулю, так как к активному сопротивлению добавляется некоторое реактивное сопротивление, обусловленное емкостью электролитической ячейки и цепи.
В электрическую эквивалентную схему электролитической ячейки (рис.2) кроме истинного активного сопротивления раствора R, зависящего от концентрации ионов и их эквивалентной электропроводности, входят дополнительные активные и реактивные сопротивления, возникающие в ячейке при измерении сопротивления. Электрическую ячейку – сосуд той или иной формы, содержащий электролит с погруженными в него электродами, в принципе можно рассматривать как конденсатор с электродной поверхностью S, электродным расстоянием l, заполненный раствором с диэлектрической проницаемостью e. Сопротивление емкости Сr, шунтирующее истинное сопротивление электролита в водных растворах, обычно значительно выше истинного сопротивления раствора и поэтому не вызывает ошибок в измерении электропроводности. Однако при очень высоком истинном сопротивлении электролита эти величины могут быть соизмеримы. Возникающие ошибки уменьшаются с понижением частоты тока.
На границе металлический электрод – раствор электролита возникает двойной электрический слой. Емкость двойного слоя влияет на сдвиг фаз между током и напряжением, что приводит к ошибкам в измерении истинного сопротивления раствора.
Ошибки измерений могут быть связаны с электрохимическими процессами на электродах – разрядкой ионов, приводящей к изменению концентрации ионов у поверхности электрода. Вследствие медленной диффузии ионов к электроду наблюдается концентрационная поляризация, которая создает поляризационную емкость Сп и поляризационное сопротивление Rп. Ошибки, связанные с поляризационными явлениями, уменьшаются с повышением частоты тока и увеличением концентрации. При чистоте тока выше 1000 Гц влияние поляризации незначительно.
Рис.2. Электрическая эквивалентная схема ячейки:
R — истинное сопротивление раствора; Сr — геометрическая емкость ячейки; Сд — емкость двойного слоя; Сп и Rп – емкость и сопротивление поляризации; С1 и R1 – шунтирующие емкость и сопротивление, зависящие от конструкции ячейки; С2 – емкость проводов.
Шунтирование сопротивления R емкостью С1 и сопротивлением R1, возникающее при неудачной конструкции ячейки (близкое расположение проводов, идущих от электродов), также вызывает ошибки измерения. Емкость проводов С2 может стать причиной емкостных утечек тока.
Ячейки для кондуктометров должны отвечать следующим основным требованиям:
Емкостное сопротивление компенсируется путем включения конденсатора параллельно сопротивлению R3.
Ошибки, связанные с поляризационным сопротивлением, уменьшаются при использовании платинированных электродов, так как увеличенная поверхность их уменьшает плотность тока. Платинированные электроды нельзя применять, если платиновая чернь оказывает влияние на проводимую реакцию или изменяет концентрацию вещества вследствие абсорбции. В некоторых случаях удобно применять платинированные электроды, прокаленные до красного каления (серое платинирование). Такие электроды значительно уменьшают поляризацию, но они обладают значительно меньшими абсорбционными свойствами.
Установка для кондуктометрического анализа состоит из электролитической ячейки, звукового генератора, мостика Уитстона и индикатора нуля. Для подачи стандартного раствора используют полумикробюретку.
Для питания системы переменным током используют генераторы ГЗ-1, ГЗ-2, ГЗ-10, ГЗ-33 и др. Для работы используют переменный ток частотой 1000 Гц.
В качестве нуль индикатора может использоваться осциллографический индикатор нуля. При полном балансе мостика эллипс на экране стягивается в горизонтальную линию.
Такого рода установки имеют высокую чувствительность.
Типы кондуктометров
Измерение электропроводности растворов может быть осуществлено при помощи уравновешенных мостов промышленного производства. К числу таких приборов относятся Р-38, Р-556, Р-577, Р-568 и др. Приведем краткие характеристики некоторых кондуктометров.
Реохордный мост Р-38. Р-38 широко используется в практике и представляет собой четырехплечевой уравновешенный мост со ступенчато-регулируемым плечем сравнения и плавно регулируемым отношением плеч. Прибор питается от сети переменного тока с частотой 50 – 500 Гц с напряжением 127 или 220 В через трансформатор, включенный в схему моста. Измеряемое сопротивление может изменяться 0,3-30000 Ом. Прибор содержит гальванометр типа М314, который служит нуль инструментом.
Кондуктометр ММЗЧ-64. Кондуктометр собран по схеме четырехплечевого уравновешенного моста. Питание — от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц через генератор, вмонтированный в установку. При этом частота повышается до 1150 Гц. Плечо сравнения имеет три декады сопротивлений. В каждую декаду включено по 9 сопротивлений, равных соответственно 1000, 100, 10. Сопротивление плеча сравнения можно изменять ступенями по 10 Ом в пределах от 10 до 10000 Ом. Кондуктометр позволяет измерять сопротивление от 0,01 Ом до 10 кОм. Блок конденсаторов используется для компенсации емкостной составляющей. Кондуктометр имеет электронно-оптический индикатор баланса моста. Погрешность измерений не превышает 1%.
Кондуктометр К-1-4. Кондуктометр собран по схеме четырехплечевого уравновешенного моста. Питание — от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц через генератор, вмонтированный в установку. При этом частота повышается до 1000 Гц. Область измеряемых сопротивлений составляет 100-90000 Ом. Плечи R1 и R2 представляют постоянные сопротивления в 100 Ом. Плечо сравнения является магазином сопротивлений типа Р-33. Предусмотрена балансировка моста по реактивной составляющей. При балансировке моста используется микроамперметр типа М-495, который включен через выпрямитель на выход усилителя. Погрешность измерений не выходит за пределы 0,5%.
Кондуктометр «Импульс» типа КЛ-1-2. Кондуктометр «Импульс» предназначен для измерения электропроводности растворов. К прибору приложены две ячейки, для которых отградуирована шкала прибора. Прибор собран по мостовой схеме с питанием импульсным током переменной полярности и интегрированием синхронного выпрямленного сигнала разбаланса. Погрешность измерений составляет 0,25%.
Принцип работы и устройство бесконтактных кондуктометров
Бесконтактные кондуктометрические анализаторы и концентратомеры предназначены для непрерывного измерения удельной электрической проводимости растворов. Бесконтактные кондуктометры выпускаются в различном исполнении: погружные, с различной глубиной погружения, и проточные. К таким кондуктометрам, используемым в производстве, относятся БКА-М, КНЧ-1М и другие.
В основу работы анализатора положен индуктивный метод измерения проводимости. Анализатор состоит из датчика и измерительного преобразователя. Датчик анализатора обычно выполнен с видами взрывозащиты: «искробезопасная электрическая цепь», «взрывонепроницаемая оболочка» и предназначен для преобразования удельной электропроводности в унифицированный сигнал постоянного тока.
Рис.4. Измерительный преобразователь.
Измерительный преобразователь предназначен для преобразования удельной электропроводности в унифицированный сигнал постоянного тока, температурной компенсации и питания постоянным напряжением всех цепей датчика.
Рассмотрим устройство на примере проточного кондуктометра БКА-М.
Датчик состоит из первичного преобразователя с фланцами для установки на технологическом трубопроводе. В проточной части корпуса первичного преобразователя расположены чувствительный элемент и термометр сопротивления, которые опрессованы пластмассой. На наружной поверхности корпуса установлено основание для размещения электронного блока и блоков искрозащиты и устройство ввода.
Чувствительный элемент состоит из силовой (генераторной) ГК и измерительной ИК тороидальных катушек, помещенных в электростатический экран.
Электронный блок анализатора состоит из генератора переменного тока Г, усилителя Ус, детектора Д и преобразователей напряжение – ток ПНТ 1 и ПНТ 2.
Датчик работает следующим образом.
Переменное напряжение с генератора через блок искрозащиты 1 поступает на силовую катушку ГК первичного преобразователя и создает магнитный поток, который наводит ЭДС в жидкостном контуре связи, который является вторичной обмоткой для силовой катушки. Сила тока в контурах связи пропорциональна удельной электрической проводимости. Изменения силы тока в контуре связи изменяет наводимую им ЭДС в измерительной катушке ИК. Выходное напряжение первичного преобразователя через блок искрозащиты поступает на вход усилителя Ус. Усиленный сигнал детектируется, фильтруется, поступает на вход преобразователя напряжение – ток ПНТ-1 и по линии связи передается в измерительный преобразователь.
Напряжение с мостовой схемы измерителя температуры ИТ поступает на вход усилителей У. Усиленное напряжение постоянного тока, пропорциональное температуре анализируемой среды, поступает на вход преобразователя напряжение – ток ПНТ-2 и по линии связи передается в измерительный преобразователь.
Анализатор работает следующим образом.
Зависимость удельной электрической проводимости имеет следующий вид:
Хt = Х0 [1 + αt (t — t0)], где
Хt — значение удельной электропроводности при текущей температуре, См/м;
Х0 — значение удельной электропроводности при начальной температуре, См/м;
αt — температурный коэффициент раствора, град-1;
t0 — начальная температура раствора, град;
t — текущая температура раствора, град.
Для электролитов (солей, кислот и щелочей) αt положителен и имеет значение от 0,019 до 0,025.
При повышении температуры раствора его удельная электропроводность увеличивается. Для компенсации этого увеличения необходимо уменьшить выходной сигнал. На входе сумматора устанавливается напряжение равное
αt (t — t0)
На выходе сумматора устанавливается напряжение
1 + αt (t — t0)
На выходе делителя устанавливается напряжение, пропорциональное
Х0 = Хt /[1 + αt (t — t0)]
Которое не будет зависеть от температуры анализируемой среды.
Датчик анализатора устанавливается на обводной линии технологического трубопровода с помощью фланцевых соединений в горизонтальном положении в помещениях и наружных установках, рекомендуемая схема обвязки датчика анализатора приведена на рис.5