Тема 5.1. Емкостные уровнемеры

Емкостными ·- называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от уровня жидкости.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие удельное сопротивление Ом-м и диэлектрическую проницаемость εж >=7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы.

Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней; в качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

На рис. 1, α изображен конденсаторный преобразователь для неэлектропроводных жидкостей, состоящий из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, помещенных в резервуар 3, в котором производится измерение уровня.

Рис. 1. Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных жидкостей

Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором 4. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой h заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой Η — h — ее парами.

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением

(1)

где ε₀ = 8,85-Ф/м—диэлектрическая проницаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Η — высота электродов; , — диаметры соответственно внутреннего и наружного электродов.

На основании (1) легко записать выражения для емкости С₁ части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С₂ части, находящейся в газовом пространстве:

где и— относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя кроме емкостей и определяется также емкостью проходного изолятора и его активным сопротивлением (емкость образуется электродами преобразователя на участке а; сопротивлениеобусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля. Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид, изображенный на рис. 1,б. Суммарная емкость преобразователя

Емкость от значения не зависит, кроме того, для газов , поэтому

Таким образом, при емкость

С_пр однозначно зависит от измеряемого уровня . В реальных условиях может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т. д.).

Рис. 2. Схема преобразователя с компенсационным конденсатором

Для уменьшения влияния изменения е_ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор (рис. 2). Здесь 1 и 2 — электроды конденсаторного преобразователя, емкость которого зависит от измеряемого уровня и диэлектрической проницаемости εж. Нижняя часть электрода 1 и дополнительный электрод 3 образуют компенсационный конденсатор, который постоянно погружен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от εж. Емкость компенсационного конденсатора используется в электронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение по сравнению со схемой на рис. 1 неизмеряемого уровня, обусловленного высотой электродов компенсационного конденсатора. Следует отметить, что отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора ( на рис. 1,б) и активного сопротивления контролируемой жидкости в межэлектродном пространстве (обычно значение последнего пренебрежимо мало). Для уменьшения влияния активного сопротивления преобразователя в схему уровнемера включается фазовый детектор. В конденсаторных преобразователях для электропроводных жидкостей один электрод выполняется изолированным. Если резервуар металлический, то его стенки могут быть использованы в качестве второго электрода.

Рис. 3. Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводных жидкостей

Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода. нарис. 3, а изображена схема преобразователя, выполненного в виде: стержня 1, покрытого слоем изоляции 2 и погруженного в металлический резервуар 3.

Если пренебречь диэлектрической проницаемостью газов над жидкостью по сравнению с диэлектрической проницаемостью изоляции электрода, то электрическую схему преобразователя можно представить в виде, изображенном на рис. 3,б. Зависящую от уровня емкость преобразователя можно представить как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2. Параметр— емкость конденсатора, обкладками которого являются поверхность электрода 1 и поверхность электропроводной жидкости на границе с изолятором 2. Диэлектриком этого конденсатора является материал изолятора. При увеличении увеличивается площадь обкладки — поверхность жидкости, что ведет к увеличению С1. Параметр С2— емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора С1), второй—поверхность резервуара 3. С увеличением h емкость С2 также растет. Параметр ·—активное сопротивление жидкости; , — емкость и активное сопротивление проходного изолятора. Таким образом, полная емкость преобразователя определяется выражением

Рис. 4. Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ

Как и в схеме рис. 1, наличие активной составляющей в выходном сопротивлении преобразователя может привести к появлению погрешности, во избежание чего в схеме устанавливается фазовый детектор.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются резонансные f мостовые схемы.

Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (рис. 4). Мост состоит из двух вторичных обмоток / и // трансформатора Тр (питаемого генератором Г), емкости преобразователя и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость растет, разбаланс моста увеличивается и напряжение на входе усилителя возрастает. Усилителем этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП. Диапазоны измерения уровнемеров ЭИУ определяются типом преобразователя и могут изменяться от 1 до 20 м; предел допускаемой основной погрешности 2,5 %.

Емкостные уровнемеры нашли широкое распространение из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя на резервуаре, отсутствия подвижных элементов, возможности использования в достаточно широком интервале температур (от криогенных до Н-200 °С) и давлений (до 6 МПа). К числу недостатков их следует отнести непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Па с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором.

Контрольные вопросы:

1) Опишите устройство емкостного уровнемера?

2) Принцип работы емкостного уровнемера?

3) Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных жидкостей.

4) Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводных жидкостей.

Дата добавления: 2014-01-20