На чем основан принцип действия емкостных уровнемеров

Особенности и достоинства ёмкостных уровнемеров

Ёмкостные уровнемеры работают по принципу определения электрической ёмкости специальных стержней либо пластин, которые выполняют функции конденсатора. Соответствующие измерения преобразуются в показатели уровня жидкости, находящейся в резервуаре. Таким образом, осуществляется контроль объёма рабочей среды в зависимости от потребностей производства.

Принцип действия оборудования

Конструкция измерительного устройства включает в себя такие компоненты:

• плоский или цилиндрический датчик;
• вторичный преобразователь измерений;
• чувствительный конденсатор, улавливающий изменения характеристик проницаемой диэлектрической среды.

Ёмкость конденсатора определяется в момент соприкосновения прибора с жидкостью. Полученная информация передаётся на контролирующее оборудование в качестве специфического сигнала. Принцип функционирования измерительных устройств основан на разности электрических свойств жидкости и газообразного пространства, расположенного над ней.

Чувствительные компоненты погружаются непосредственно в жидкую среду. Они измеряют ёмкость вещества. Обкладки, которые остаются над уровнем воды, фиксируют значения плотности воздуха. Эти сведения позволяют точно определять высоту жидкостного столба.

Эксплуатация ёмкостных уровнемеров

Рассматриваемые измерительные приборы обеспечивают непрерывный контроль уровня рабочей среды внутри резервуара. При этом они могут использоваться в самых различных отраслях народного хозяйства:

• производство напитков и пищевых продуктов, соусов;
• изготовление лакокрасочных составов, бытовой химии, удобрений, жидких стройматериалов;
• организация работы инженерных сетей, добыча и фасовка минеральных вод;
• перерабатывающая промышленность, сельское хозяйство, фармакология, коммунальная сфера.

Кроме того, ёмкостные уровнемеры устанавливаются в топливных баках транспортных средств.

Описываемые приспособления могут применяться для измерения количества жидкости в цистернах, хранилищах, промышленных резервуарах, трубопроводах. Они точно определяют текущий уровень рабочей среды либо оценивают непрерывное изменение соответствующих показателей.

Некоторые модификации уровнемеров используются для замеров уровня жидкости в глубоких скважинах либо обеспечивают бесконтактный контроль количества воды. При необходимости устройства передают данные на внешние приборы либо отслеживают стабильность уровня жидкой среды.

Преимущества оборудования

Ёмкостные датчики обладают такими положительными характеристиками и возможностями:

• замеры в резервуарах, наполненных жидкостями различных типов. Эти среды могут различаться по таким параметрам как степень электропроводности среды, плотность материала, плотность измеряемого вещества;
• оперативный отклик на изменения рабочих условий, высокая чувствительность;
• возможность работы с агрессивными и опасными веществами;
• возможность эксплуатации в вакууме.

В конструкции оборудования отсутствуют подвижные компоненты, что гарантирует надёжность и безопасность их использования.

Стоит отметить, что поправка чувствительности измерительного прибора проводится с учётом физических параметров рабочей среды. Настройка осуществляется под каждый конкретный материал. Если необходимо работать с вязкими, взрывоопасными и кристаллизирующимися веществами, ёмкостные уровнемеры не могут быть использованы. При налипании материала на датчик показатели чувствительности снижаются.

Емкостные уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды емкостных уровнемеров.

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

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление ρ 6 Ом *м и диэлектрическую проницаемость е_ж ≥ 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.

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

Рис. 1. Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред :

1,2 — электроды; 3 — резервуар; 4 — изолятор

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

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением

где ε₀ = 8,85*10 -12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н — высота электродов; d₁, d₂ — диаметры 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 ε_ж и ε_г — относительные диэлектрические проницаемости жид-кости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Zпp, кроме емкостей С1 и С2, определяется также емкостью Си проходного изолятора и его активным сопротивлением Rи (емкость Си образуется электродами преобразователя на участке а; сопротивление Rи обусловлено 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

Спр = С1 + С2 + Си.

Емкость Си от значения h не зависит, кроме того, для газов ε_г ≈ 1, поэтому

Таким образом, при ε_ж = const емкость Спр однозначно зависит от измеряемого уровня h. В реальных условиях ε_ж может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т.п.).

Для уменьшения влияния изменения ε_ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор (рис. 2).

Рис. 2. Схема преобразователя с компенсационным конденсатором : 1, 2 — электроды; 3 — дополнительный электрод

Здесь 1 и 2 — электроды конденсаторного преобразователя, емкость которого зависит от измеряемого уровня h, и диэлектрической проницаемости ε_ж . Нижняя часть электрода 1 и дополнительный электрод 3 образуют компенсационный конденсатор, который постоянно погружен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от ε_ж . 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 hк электродов компенсационного конденсатора. Отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора (см. Rи 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.

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

Рис. 3. Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводящих жидкостей : 1 — стержень (электрод); 2 — изоляция; 3 — резервуар

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 С1 — 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 h 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 Rж — активное сопротивление жидкости; Си, Rи — емкость и активное сопротивление проходного изолятора. Таким образом, полная емкость преобразователя определяется выражением

Спр = Си + С1С2/(С1 + С2).

Как и в схеме рис. 3, наличие активной составляющей в выходном сопротивлении Zпp преобразователя может привести к появлению погрешности, во избежание чего в схеме устанавливается фазовый детектор.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются различные схемы. Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (рис. 4).

Рис. 4. Принципиальная схема электронного индикатора уровня

Мост состоит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр (питаемого генератором Г), емкости преобразователя Спр и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость Спр растет, разбаланс моста увеличивается и напряжение на входе усилителя возрастает. С помощью усилителя этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП.

Более сложная измерительная схема используется в уровнемерах типа РУС (рис. 5).

Рис. 5. Измерительная схема уровнемера РУС :

1 — конденсаторный преобразователь; 2 — компенсационный конденсатор; 3,4 — преобразователи; 5 — импульсный детектор; 6 — усилитель; 7 — генератор тактовых импульсов

Работа схемы основана на емкостно-импульсном методе измерения уровня, использующем переходные процессы, протекающие в цепи емкостного преобразователя, периодически подключаемого к источнику постоянного напряжения. Измерительный конденсаторный преобразователь 1 и компенсационный конденсатор 2 подключены к входам преобразователей 3, 4 емкости в электрический сигнал. В преобразователе 3 измерительный конденсатор 1 генератором тактовых импульсов 7 периодически подключается к постоянному напряжению u1 В конце рабочего импульса генератор шунтирует измерительный конденсатор и разряжает его. За время импульса измерительный конденсатор зарядится до значения напряжения, которое зависит от значения емкости. Выходным сигналом преобразователя 3 является постоянное напряжение м3 импульсной формы, амплитуда которого определяется емкостью конденсатора, т.е. значениями контролируемого уровня и диэлектрической проницаемости среды. Преобразователь 4 имеет аналогичное исполнение, но питается напряжением u2, пропорциональным выходному току Iвых (т.е. используется отрицательная обратная связь).

Таким образом, амплитуда выходного импульсного напряжения и4 преобразователя 4 зависит от емкости компенсационного конденсатора (т.е. диэлектрической проницаемости среды) и значения u2. Сигналы с преобразователей 3 и 4 вычитаются и разностный сигнал подается на вход импульсного детектора 5, преобразующего импульсный сигнал в напряжение постоянного тока u2. Напряжение u2 затем используется в качестве сигнала обратной связи и усилителем 6 преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал Iвых. В статическом режиме выходное напряжение u2 и ток Iвых принимают такие значения, при которых u3 ≈ u4. При увеличении уровня и ε_ж = const будет увеличиваться u3, что приведет к увеличению u2 и Iвых, так как увеличение u4 возможно только за счет увеличения u2 (при ε_ж = const емкость компенсационного конденсатора не изменяется). Предположим h = const, но увеличилась диэлектрическая проницаемость ε_ж при этом u2 и Iвых не должны измениться. Действительно, при этом увеличится u3, но одновременно увеличится и значение u4 (при u2 = const), так как увеличилась и емкость компенсационного конденсатора. Верхние пределы уровнемеров РУС выбираются из ряда от 0,4 до 20 м, основная погрешность в зависимости от модификации 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 %. Уровнемеры применяются на диэлектрических или проводящих средах, агрессивных, взрыво-опасных при температурах от -60 до 250 °С при давлениях до 10 МПа. В емкостных уровнемерах может использоваться резонансная схема измерения емкости. При этом первичный преобразователь включен в схему колебательного контура, параметры которого изменяются с изменением контролируемого уровня. При этом либо измеряется амплитуда напряжения на контуре (при неизменной амплитуде и частоте питающего напряжения), либо резонансная частота контура. Такие схемы имеют некоторые модификации уровнемеров типа РУМБ, сигнализаторы типа СУС.

Емкостные уровнемеры получили широкое распространение особенно в качестве сигнализаторов из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя, отсутствия подвижных элементов возможности использования в широком интервале температур и давлений. Большим достоинством является нечувствительность к сильным магнитным полям, возможности использования в широком интервале температур (от криогенных до 500 °С) и давлений. К числу недостатков следует отнести непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Па*с), пленкообразующих, кристаллизующихся жидкостей и содержащих примеси, выпадающие в осадок, высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором. Последний недостаток устраняется при размещении электронной части в головке преобразователя. В этом случае емкостной стержневой преобразователь напоминает термопреобразователь. Так, стержневой емкостной уровнемер типа Меrcap фирмы Siemens может иметь длину до 5 м при диаметре трубки 24 мм, измеряемая емкость составляет 3,3. 3300 pF. Гибкая конструкция преобразователя может иметь длину до 35 м. Преобразователи работают при температурах от -200 до 400 °С при давлениях от вакуума до 50 МПа. При выходном сигнале 4. 20 мА преобразователь имеет цифровой сигнал по HART-протоколу, погрешность измерения составляет ±0,1 %.

Классификация и характеристики электрических уровнемеров

К электрическим уровнемерам относятся те приборы измерения уровня, в которых уровень контролируемой среды преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Ниже рассмотрим основные виды электрических уровнемеров: емкостные уровнемеры, кондуктометрические (омические) уровнемеры и вибрационные уровнемеры, познакомимся с их различиями в работе и устройстве.

Емкостные уровнемеры

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров. Измерительная схема емкостного уровнемера приведена на рис. 1.

Рис. 1. Ёмкостной уровнемер: 1, 2 — электроды; 3 — электронный блок

В сосуд с контролируемой жидкостью опущен преобразователь, который представляет собой электрический конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня электропроводящей жидкости. Преобразователи бывают пластинчатыми, цилиндрическими или в виде стержня.

Цилиндрические преобразователи выполняются из нескольких труб, расположенных концентрическим образом, пространство между которыми на высоту h заполняет контролируемая жидкость. Емкость преобразователя равна сумме емкостей двух его участков — погруженного в жидкость с одной диэлектрической проницаемостью (εж) и находящегося в воздухе с другой диэлектрической проницаемостью (εср, для воздуха εср = 1).

При измерении уровня агрессивных, но неэлектропроводных жидкостей обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или покрывают тонкой антикоррозионной пленкой, диэлектрические свойства которой учитывают при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками применяют также при измерении уровня электропроводных жидкостей.

ИСУ-100И уровнемеры емкостные одноканальные	РОС-101 (-102) сигнализаторы уровня емкостные	СУ-100 сигнализаторы уровня емкостные

Кондуктометрические уровнемеры

Кондуктометрические (омические) уровнемеры используют главным образом для сигнализации и поддержания в заданных пределах уровня электропроводных жидкостей. Принцип их действия основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи с определенным омическим сопротивлением. Прибор представляет собой электромагнитное реле, включаемое в цепь между электродом и контролируемым материалом. Схемы включения релейного сигнализатора уровня могут быть различны в зависимости от типа объекта и числа контролируемых уровней. На рис. 2, а показана схема включения прибора в токопроводящий объект. В этом случае для контроля одного уровня h можно использовать один электрод, одно реле и один провод. При контроле двух уровней h1 и h2 (рис. 2, б) их требуется уже по два.

Рис. 2. Омические сигнализаторы уровня: а – одного уровня; б – двух уровней; 1 – электрод; 2 – электромагнитное реле; 3 – источник питания

В качестве электродов применяют металлические стержни или трубы и угольные электроды (агрессивные жидкости). Основной недостаток всех электродных приборов – невозможность их применения в средах вязких, кристаллизующихся, образующих твердые осадки и налипающих на электроды преобразователей.

Вибрационные уровнемеры

Вибрационные уровнемеры отличаются надежностью и широкой областью применения. Конструкция и принцип действия данных устройств снижает до минимума их восприимчивость к химическим и физическим свойствам измеряемого вещества. Также вибрационные уровнемеры показывают точные результаты при турбулентности, наличии пузырьков воздуха в жидких средах, и прочих неблагоприятных условиях работы.

Принцип действия вибрационного уровнемера основан на различии резонансных колебаний чувствительного элемента – камертонного резонатора в газовой (воздушной) среде и в жидкости (сыпучем материале). Вибрирующий элемент приводится в действие пьезоэлектрическим методом и вибрирует с механической резонансной частотой приблизительно 1200…1300 Гц. Пьезоэлементы закреплены механически и не подвергаются воздействию теплового удара. При погружении вибрирующего элемента в измеряемую среду частота изменяется. Это изменение частоты улавливается встроенным генератором и преобразуется в команду на переключение.

По вопросам приобретения и подбора электрических уровнемеров Вам достаточно позвонить по телефону
+7 (4812)209-311 или написать по электронной почте info@td-urovnemer.ru.

Ёмкостные уровнемеры для жидкости

Это уровнемеры, проводящие измерения электрической емкости конденсаторного преобразователя (образуется пластинами или стержнями, что вводится в жидкость), и преобразующие эти измерения в уровень жидкости.

Существуют разные конструкции емкостных уровнемеров, позволяющие измерять емкость электропроводных и неэлектропроводных жидкостей (к электропроводным относятся те, у которых удельное сопротивление меньше 106 Ом*м). В случае работы с электропроводными жидкостями один из пластинчатых или стержневых электродов изолируется, а для неэлектропроводных оба остаются без изоляции.

Принцип действия емкостного уровнемера

В конструкцию емкостного уровнемера входит два основных элемента. Это емкостной датчик в виде стержня или кабеля цилиндрической либо плоской формы и вторичный преобразователь. Основу прибора составляет чувствительный электрический конденсатор, четко фиксирующий все изменения в диэлектрической проницаемости среды. При соприкосновении с жидкостью определяется емкость конденсатора, связанная с нею величина уровня жидкости в емкости, а затем полученные значения преобразуются в выходной сигнал, который и передается на внешнее оборудование для контроля.

Е мкостной датчик уровня

Весь принцип действия таких уровнемеров основан на том, что у жидкостей и газового пространства над ними разные электрические свойства. Чувствительные элементы, погруженные в жидкость, определяют емкость, а вторые обкладки, остающиеся «снаружи», так же делают замеры, и на основании этих сведений делаются выводы о высоте жидкостного столба.

Что касается системы электродов, то она может различаться в зависимости от модели. В большинстве случаев – это металлические плоские пластины либо полые цилиндры.

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:

• Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
• Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
• Системы водоснабжения и водоотведения;
• Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
• ЖКХ и сельское хозяйство;
• Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
• Фармацевтические компании.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.

Преимущества емкостных уровнемеров для жидких веществ

Емкостные датчики уровня для жидких веществ отличаются от других типов измерителей уровня такими достоинствами:

• Могут проводить замеры в емкостях с разными типами жидкостей, отличающихся не только по составу, но и по физическим свойствам (по температуре, плотности, степени электропроводности);
• Обеспечивают быстрый отклик, отличаются высокой чувствительностью к изменениям;
• Допускаются для работы с агрессивными, опасными жидкостями;
• Могут работать даже в вакууме, то есть широкий диапазон давления жидкости в емкости не будет препятствием для проведения измерений;
• В конструкции нет подвижных элементов, что обеспечивает надежность, безопасность и долговечность эксплуатации.

Однако поправку чувствительности придется производить под каждый новый вид продукта. Кроме того, для работы с вязкими, кристаллизующимися и взрывоопасными жидкостями такие устройства не подходят (они чувствительны к налипаниям на зонд).

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость преобразователя, которая зависит от уровня, рассчитывают по формуле

Спр = Си + С1С2/(С1 + С2), где:

• С1 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности электрода и электропроводной жидкости;
• С2 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности жидкости (размещается там же, где и обкладка С1) и на поверхности емкости (резервуара или бака);
• Си – емкость проходного изолятора.

Всегда учитывают, что при увеличении высоты жидкости С1 и С2 растут, поскольку увеличивается площадь обкладки.

Схема подключения ёмкостного уровнемера

Емкостной датчик уровня для топливных или стационарных топливных баков может подключаться по цифровой или аналоговой схеме с использованием изолированной CAN-шины и контроллера. Также используется двухпроводная схема подключения, позволяющая непрерывно контролировать уровень жидкости. Кроме того, отдельные модели можно монтировать с использованием трубной насадки или с кабельным пробником.

Поскольку емкостные уровнемеры измеряют емкость конденсатора, а изолятором-диэлектриком служит продукт измерения, то для точного проведения работ приборы можно устанавливать только в емкости с металлическими стенками, причем та из стенок, куда будет выполняться крепление должна быть расположена строго параллельно зонду.

После подключения выполняют контрольный запуск, проводят калибровку на абсолютно пустой и полностью заполненной емкости.

В компании «Измеркон» предлагают емкостные датчики контроля уровня топлива с полным описанием и инструкцией по подключению (представлены схемы в зависимости от интерфейса).

Уровнемер топлива с интерфейсом CAN Длина штока: 800 мм / 1600 мм Чувствительность: > 2 единиц на мм, обычно 15 единиц на мм Фильтры цифровой интеграции: Настраиваемая константа времени и коэффициент интеграции, скорость изменения выходного сигнала 15. 240 мм/мин