1.1 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.

Обычные механические уровнемеры не позволяют производить непрерывные измерения, когда объектом измерения являются зернистые или порошкообразные материалы. Емкостный метод дает такую возможность. Давление или разрежение играет здесь подчиненную роль.

Емкостные уровнемеры можно использовать как для сигнализации предельных значений, так и для непрерывного измерения. Точность индикации составляет при наличии однородных материалов 0,5.2 %. Данный метод измерения непригоден, однако, для измерения смеси жидкости с твердыми частицами, имеющими другую диэлектрическую проницаемость, так как эта величина должна оставаться постоянной. Его нельзя применять также в условиях колебания влагосодержания и изменения соотношения компонентов смеси.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных инеэлектропроводных жидкостей.

Электропроводными считаются жидкости, имеющие удельное сопротивление р < 10^е Омм 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. Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой h заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой (Н-h) - ее парами.

В общем виде, емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

С=, (1.1)

где е₀ = 8,8510^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; е - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н - высота электродов; d1, d2 - диаметры соответственно внутреннего и наружного электродов.

На основании (1.1) легко записать выражения для емкости С1 части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С2 части, находящейся в газовом пространстве:

С1=, С2=, (1.2)

где е_Ж, е _Г - относительные диэлектрические проницаемости жидкости 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, а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.

Суммарная емкость преобразователя:

Спр⁼ С1 +С2 +Си (1.3)

Емкость Си от значения h не зависит, кроме того, для газов е _r =1, поэтому

(1.4)

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

Для уменьшения влияния изменения е_Ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор. Емкость компенсационного конденсатора используется в электронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение не измеряемого уровня, обусловленного высотой h_K электродов компенсационного конденсатора. Следует отметить, что отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора 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.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются 4 вида схем: резонансные, генераторные, "зарядно-разрядные" и мостовые методы переменного тока.

Рис. 1.1 Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ

Наиболее простыми и точными являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (Рис.1.1.). 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. 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 +200°С) и давлении (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.