Общие сведения. Цель работы: ознакомление с принципом действия и получение практических навыков измерения уровня жидкости емкостным уровнемером

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ЕМКОСТНЫМ УРОВНЕМЕРОМ

Цель работы: ознакомление с принципом действия и получение практических навыков измерения уровня жидкости емкостным уровнемером.

Приборы и оборудование: мензурка мерная, измеритель индуктивностей и емкостей высокочастотный Е7-5А, измерительные зонды, штангель-циркуль.

Измерение уровня жидкости играетважную роль в технологических процессах, связанных с перемещениями (перераспределениями) жидкостей. Наиболее простыми являются уровнемеры с визуальным отсчетом, гидростатические и др. Однако, в случае необходимости дистанционного контроля используют более сложные устройства измерения уровня, например, волновые, акустические, емкостные. Последние, в частности, преобразуют измеряемую величину в электрический сигнал, что удобно для использования современных средств автоматики для управления технологическим процессом.

Емкостными называют уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одной или несколькими пластинами, цилиндрами (или электродами другой формы), частично введенными в жидкость, от уровня жидкости. Различают преобразователи для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считают жидкости, имеющие удельное сопротивление r < 10⁶ Ом×м. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов из уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, а электроды для преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы.

Познакомимся подробно с работой преобразователя с электропроводящей жидкостью (рис.1а).

Преобразователь представляет собой металлический стержень (1), покрытый слоем изолятора (2), частично погруженный в жидкость (3). Уровню жидкости (h) ставится в соответствие емкость преобразователя, эквивалентная схема которого представлена на рис.1б. Резистор R_И и конденсатор С_И соответствуют сопротивлению утечки и e. Емкость конденсатора С₁ зависит от глубины погружения стержня h и определяется следующим соотношением:

, (1)

а) б)

Z_пр Z_пр

Рис.1. Схематическое изображение (а) и эквивалентная

электрическая схема (б) конденсаторного преобразователя для электропроводных жидкостей

где e₀ - универсальная диэлектрическая постоянная (8,85×10^-12 Ф/м), q - толщина слоя изолятора, d - диаметр металлического стержня.

Параметр С₂ - емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором (общая обкладка с конденсатором С₁), второй - поверхность электрода 4^/. Резистор R_ж - эквивалентное сопротивление жидкости.

Общая емкость преобразователя (С_пр) может быть представлена выражением

, (2)

В случае, если 1/(wС₁)>> R_Ж, где w = 2pf, f - измерительная частота,

С_ПР» С_И + С₁, (3)

т.е. имеет место линейная связь между емкостью преобразователя и уровнем жидкости.

Измерение емкости преобразователя может осуществляться любым из известных методов (методом вольтметра-амперметра, резонансным, гетеродинным, мостовым и др. методами). Наиболее удобно использовать мостовой метод измерения С_ПР, поскольку он позволяет с высокой точностью разделять вклады мнимой (емкостной) и активной составляющей комплексного сопротивления преобразователя.

Одна из схем моста для измерения емкости изображена на рис. 2.

Рис.2. Схема моста для измерения емкости

Измеряемый конденсатор, представляемый последовательной схемой R_x, C_х включают последовательно с резистором R₄ и конденсатором С₄. Равновесие моста, регистрируемое индикатором И, наступает при условии

, (4)

откуда измеряемая емкость и сопротивление потерь в принятой схеме замещения измеряемого конденсатора составляют:

; . (5)

Обычно вместо R_x измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tgd_x = v C_xR_x в конденсаторе. Таким образом, из (5) видно, что при уравновешивании моста переменными резисторами R₃ и R₄ производится раздельный отсчет по измеряемым величинам C_x. и tgd_x.

В данной работе измерение емкости производится резонансным методом с индикацией резонанса по нулевым биениям (рис. 3). В приборе имеются два высокочастотных генератора, собранных по одинаковой схеме. В колебательный контур одного генератора включен конденсатор переменной емкости С_отсч. В контур второго генератора последовательно с контурной индуктивностью L₂ включается измеряемая индуктивность L_x.

Колебания высокой частоты обоих генераторов через катодный повторитель подаются на смеситель. Со смесителя колебания разностной частоты подаются через фильтр нижних

частот на усилитель низкой частоты, параллельно анодной нагрузке которого включен индикатор настройки на нулевые биения.

Рис. 3. Электрическая функциональная схема измерителя индуктивностей и емкостей Е7-5А: C₁ – суммарная емкость 1-го контура, C₂ – суммарная емкость 2-го контура, ФНЧ – фильтр низкой частоты, УНЧ – усилитель низкой частоты

При отсутствии измеряемой индуктивности L_x (клеммы L_x закорочены) генераторы по нулевым биениям настраиваются на одинаковую частоту при емкости первого контура C₁ (соответствует нулю по шкале конденсаторов C_I, C_II, C_III.) При этом соблюдается равенство:

C₁·L₁ = C₂·L₂. (6)

При измерении емкостей клеммы L_x в контуре 2-го генератора закорочены с помощью переключателя. После настройки прибора на нулевые биения измеряемая емкость подключается параллельно контуру к клеммам C_x. Возникающая при этом относительная расстройка частот компенсируется отсчетными конденсаторами 1-го контура до восстановления равенства частот (по нулевым биениям на выходе прибора).

При условии равенства контурных индуктивностей измеряемая емкость будет равна отсчетной емкости.

Дата добавления: 2015-04-30