19-5. Емкостные уровнемеры

Общие сведения. Емкостные уровнемеры широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей в различных объектах в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Емкостные уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до (2,5-6,0 МПа) и имеющих температуру от —40 до Эти ограничения обусловлены надежностью применяемой изоляции для изготовления общепромышленных первичных преобразователей емкостных уровнемеров.

Емкостные уровнемеры не могут быть использованы для измерения уровня вязких (более 0,980 Па-с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также взрывоопасных сред.

Действие рассматриваемых уровнемеров основано на измерении электрической емкости первичного преобразователя, изменяющейся пропорционально изменению контролируемого уровня жидкости в резервуаре. Первичный преобразователь, преобразующий изменение уровня жидкости в пропорциональное изменение емкости, представляет собой, например, цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены коаксиально. Для каждого значения уровня жидкости в резервуаре емкость первичного преобразователя определяется как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован частью электродов преобразователя и жидкостью, уровень которой измеряется, а второй — остальной частью электродов преобразователя и воздухом или парами жидкости.

При применении емкостных уровнемеров необходимо иметь в виду, что измеряемый уровень жидкости функционально связан с диэлектрической проницаемостью веществ. Поэтому при измерении уровня жидкости емкостным уровнемером следует учитывать, что значение диэлектрической проницаемости жидкости изменяется с изменением температуры ее.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектро-проводпые и электропроводные. Такое деление жидких диэлектриков имеет некоторую условность, но является практически

целесообразным. Жидкости, имеющие удельное сопротивление и относительную диэлектрическую проницаемость еж 5 6, относятся к группе иеэлектропроводных, а жидкости, имеющие относятся к группе электропроводных. Следует отметить, что удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость жидкостей в большой степени зависят от частоты напряжения, на которой производится измерение уровня. Вследствие различия электрических характеристик жидкостей емкостные преобразователи уровнемеров выполняют различными. Принципиальное различие состоит в том, что один из электродов преобразователя для измерения уровня электропроводных жидкостей покрывается электрической изоляцией, а электроды преобразователей для иеэлектропроводных жидкостей не изолируют.

Некоторые типы емкостных уровнемеров находят применение для сигнализации и дистанционного измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью.

Рис. 19-5-1. Схема устройства емкостного преобразователя для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей.

Емкостный преобразователь для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей. Эти преобразователи емкостных уровнемеров выполняют цилиндрического и пластинчатого типа, а также в виде жесткого стержня или троса. В последнем случае вторым электродом служит металлическая стенка резервуара. Для обеспечения постоянства характеристик преобразователя и повышения точности измерения уровня целесообразно применять преобразователи со стержнем или тросом, располагаемым в стальной трубе, являющейся вторым электродом преобразователя.

Рассмотрим приведенную на рис. 19-5-1 схему устройства емкостного преобразователя уровнемера, выполненного в виде цилиндрического конденсатора из двух коаксиально расположенных стальных труб 2 и 3. Для большей наглядности преобразователь погружен в резервуар 1, в котором производится измерение уровня жидкости.

Емкость преобразователя измеренная на зажимах а, когда между электродами 2 и 3 на рабочем их участке высотою находится воздух, определяется выражением

где емкость проходного изолятора 4 и соединительного кабеля, значение которой не зависит от среды, находящейся между

электродами начальная емкость преобразователя на рабочем его участке высотою заполненном воздухом, для которого можно принять относительную диэлектрическую проницаемость согласно формуле

здесь электрическая постоянная или абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства радиусы соответственно электродов

Если конденсатор преобразователя на участке высотою заполнен жидкостью, уровень которой измеряется, а на участке воздухом и парами этой жидкости, то емкость преобразователя на зажимах а определяется выражением

где емкость преобразователя; емкость преобразователя на участке высотою заполненном воздухом и парами жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью согласно формуле

емкость преобразователя на участке высотою заполненном жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью , согласно формуле

Учитывая (19-5-2), (19-5-4) и (19-5-5), уравнение (19-5-3) можно представить в виде

Из этого выражения следует, что при нормальных условиях измерения

Для обеспечения однозначной зависимости этой функции при измерении уровня жидкости в рабочих условиях эксплуатации необходимо иметь постоянство значений и . Постоянство значения в необходимых пределах обеспечивается благодаря применению изоляционных материалов и кабеля с малым температурным коэффициентом электрической емкости. Изменением значения можно пренебречь, так как для большинства газов и паров

жидкостей, уровень которых измеряют емкостным методом, относительная диэлектрическая проницаемость незначительно отличается от единицы и поэтому можно принять В этом случае без учета емкости выражение (19-5-6) принимает вид:

Обеспечить в рабочих условиях эксплуатации постоянство значения относительной диэлектрической проницаемости жидкости еж, уровень которой измеряется, практически невозможно. Если обозначить диэлектрическую проницаемость жидкости в условиях эксплуатации через еж, то уравнение (19-5-7), в котором еж соответствует градуировочному значению, принимает вид:

Вычитая это уравнение из выражения (19-5-7), имеем:

где

Таким образом, в рабочих условиях эксплуатации отклонение от градуировочного значения приводит к изменению емкости преобразователя, а следовательно, и показаний уровнемера. Как видно из (19-5-9), с ростом значения увеличивается и и в большей степени изменяется погрешность измерения.

Рассмотрим влияние активного сопротивления утечек преобразователя на точность измерения уровня. Полное сопротивление преобразователя по отношению к зажимам а состоит из емкостного сопротивления и параллельного ему активного сопротивления В этом случае полная проводимость цепи преобразователя определяется выражением

где емкость преобразователя (19-5-3); здесь частота в Гц;

В формуле (19-5-11) активное сопротивление утечки, которое не изменяется при изменении уровня жидкости. Значение этого сопротивления зависит от качества изоляционных материалов, используемых в конструкции преобразователя, от сопротивления утечки соединительного кабеля, а также проводящих пленок, которые могут образовываться на поверхности изоляторов.

Активное сопротивление утечки преобразователя определяется в основном высотою уровня жидкости в нем,

значением Если учесть, что удельное электрическое сопротивление иеэлектропроводных жидкостей достаточно большое, то вследствие этого значение проводимости утечки будет весьма мало.

Из рассмотренных слагаемых в (19-5-11) наибольшее влияние на точность измерения уровня будет оказывать сопротивление утечки Соотношение между емкостным сопротивлением и параллельным ему активным сопротивлением зависит также от рабочей частоты тока, на которой производят измерение уровня жидкости.

Наличие сопротивления утечек в выходном параметре преобразователя приводит к появлению в измерительной схеме уровнемера сигнала помехи, фаза которого сдвинута относительно фазы основного сигнала на 90°. Это в свою очередь приводит к изменению показаний уровнемера.

Рис. 19-5-2. Схема емкостного преобразователя с компенсационным конденсатором.

Для уменьшения этого влияния, как будет показано ниже, в тракт усиления прибора вводят фазовый детектор, который отфильтровывает сигнал помехи.

Для повышения точности измерения уровня за счет уменьшения влияния изменения относительной диэлектрической проницаемости жидкости еж на показания уровнемера преобразователь снабжают компенсационным конденсатором. Это позволяет автоматически вводить поправку в показания уровнемера при отклонении еж от значения принятого при градуировке прибора. Схема преобразователя с компенсационным конденсатором, применяемого в уровнемере приведена на рис. 19-5-2. Здесь 1 и 2 — электроды измерительного конденсатора, а и 2 (нижняя часть) — электроды компенсационного конденсатора. Емкость компенсационного конденсатора начальная емкость компенсационного конденсатора при меняется с изменением еж. Компенсационный конденсатор всегда остается полностью погруженным в жидкость, уровень которой измеряется. Это обусловливает наличие иеизмеряемого уровня жидкости в резервуарах, зависящего от высоты компенсационного конденсатора которая для преобразователя уровнемера равна

Конструктивно преобразователь выполнен из двух жестко соединенных конденсаторов: образованного двумя коаксиальио расположенными трубами, и компенсационного, состоящего из нескольких коаксиальио расположенных коротких труб.

Первичные преобразователи для измерения уровня электропроводных жидкостей. В преобразователях этого типа один электрод конденсатора выполняют изолированным в виде стержня, провода или кабеля. Вторым электродом служат стенки металлического резервуара, в котором измеряют уровень жидкости, Если резервуар

имеет большие размеры или стенки резервуара выполнены из непроводящего материала, то необходимо для обеспечения надежности измерения параллельно оси изолированного электрода устанавливать в резервуаре металлические электроды (например, стержни, трубы, полосы) на определенном расстоянии, рекомендуемом заводом-изготовителем. Стабильность характеристик прибора и точность измерения уровня будут обеспечиваться в большей степени, когда у преобразователя изолированный электрод расположен в стальной трубе. Примером этого может служить уровнемер работающий с преобразователем у которого изолированный электрод, выполненный в виде -образного провода, установлен в стальной трубе.

Рис. 19-5-3. Схема устройства емкостного преобразователя для измерения уровня электропроводных жидкостей.

Рис. 19-5-4. Эквивалентная электрическая схема преобразователя (рис. 19-5-3).

На рис. 19-5-3 представлена схема устройства емкостного преобразователя для измерения уровня электропроводной жидкости. Один электрод преобразователя выполнен в виде металлического стержня 1, наружная поверхность которого покрыта изоляцией 2, например фторопластом. Вторым электродом служит цилиндрическая стенка резервуара 3, в котором измеряют уровень жидкости. Рассмотренная схема преобразователя используется в емкостном индикаторе уровня типа На рис. 19-5-4 изображена эквивалентная электрическая схема этого преобразователя. Здесь емкость проходного изолятора 4 и соединительного кабеля, значение которой не зависит от среды, находящейся в резервуаре; емкость, образованная наличием на электроде 1 изоляционного покрытия 2 с диэлектрической проницаемостью на участке длиною емкость между наружной поверхностью изолированного электрода 1 и стенкой резервуара 3 на участке высотою где диэлектриком являются воздух и пары жидкости, уровень которой измеряют; емкость, образованная наличием на электроде 1 изоляционного покрытия с диэлектрической

проницаемостью На участке высотою соприкасающемся с проводящей жидкостью; емкость между наружной поверхностью изолированного электрода 1 и стенкой резервуара 3 на участке высотою где диэлектриком служит жидкость с диэлектрической проницаемостью еж; — активное сопротивление утечек, значение которого зависит от качества изоляционного материала, применяемого в конструкции преобразователя, от сопротивления утечки соединительного кабеля и проводящих пленок, которые могут образовываться на поверхности изолятора; активное сопротивление утечки на участке зависящее от удельного электрического сопротивления воздуха, паров жидкости и изоляционного материала на стержне (проводимостью утечки на этом участке можно пренебречь); активное сопротивление утечки на участке высотою значение которого зависит от удельного электрического сопротивления жидкости

Емкости включенные последовательно, малы по сравнению с емкостью на участке и ими можно пренебречь. При повышении уровня общая емкость возрастает, так как поверхность соприкосновения с электродами 1 и 3 проводящей жидкости увеличивается, кроме того, в этом случае мы имеем как бы уменьшение расстояния между электродами 1 и 3. Таким образом, емкость преобразователя, отнесенная к зажимам а, пропорциональна измеряемому уровню жидкости и определяется выражением

Наличие сопротивлений утечек в выходном параметре преобразователя приводит к появлению дополнительного сигнала, фаза которого будет сдвинута относительно основного сигнала так же, как в уровнемере для измерения уровня иеэлектропроводиых жидкостей.

Устройство емкостных уровнемеров. В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя, пропорциональной контролируемому уровню жидкости, используют резонансные и мостовые схемы.

Резонансные схемы применяют в емкостных (электронных) сигнализаторах уровня и др. [75, 86]. Эти сигнализаторы уровня применяют для контроля уровня жидкостей, а также и различных сыпучих тел с постоянной влажностью.

Мостовые измерительные схемы используют в большинстве емкостных уровнемеров, снабжаемых вторичными показывающими или показывающими и самопишущими приборами. Вторичные приборы этих уровнемеров могут иметь контактное устройство для сигнализации предельных значений уровня.

Принципиальная схема электронного индикатора уровня выпускаемого рязанским заводом «Теплоприбор», приведена на рис. 19-5-5. Измерительная схема представляет индуктивно-емкостный мост, состоящий из индуктивностей двух вторичных обмоток

трансформатора конденсаторов С и (перемычка в положении 1—2) и емкости преобразователя В этом случае измеряемая емкость преобразователя должна находиться в диапазоне Если в схему моста будут включены вместо конденсаторы С3 и С4 (перемычка в положении 1-3, 1—4) или и (перемычку устанавливают в положение 1—3, 1—5), то измеряемая емкость преобразователя должна находиться соответственно в диапазоне или

Питание прибора осуществляется напряжением переменного тока 220 или 127 В, частотой 50 Гц. Измерительный мост питается от генератора синусоидальных колебаний частотой собранного на транзисторе по схеме с LC-контуром. Сигнал разбаланса моста, пропорциональный контролируемому уровню жидкости, подается на вход усилителя, состоящего из эмиттериого повторителя, усилительного каскада и выходного каскада. Выходное напряжение, Снимаемое с резистора выходного каскада, составляет В качестве показывающего и самопишущего прибора может быть использован автоматический потенциометр КСП2 или показывающий миллиамперметр типа включаемый в разрыв эмиттерной цепи транзистора выходного каскада.

Рис. 19-5-5. Принципиальная электрическая схема уровнемера

Электронный индикатор уровня в комплекте с пластинчатым или тросовым емкостным преобразователем предназначен для контроля уровня неэлектропроводных жидкостей, находящихся под давлением до и имеющих температуру от —40 до 200°С. При применении этого уровнемера следует учитывать, что изменение значения диэлектрической проницаемости жидкости, уровень которой измеряется, приводит к изменению показаний прибора.

Индикатор уровня в комплекте со стержневым емкостным преобразователем с фторопластовым покрытием предназначен для контроля уровня электропроводных жидкостей, находящихся под давлением до и имеющих температуру от —40 до 200°С. Уровнемер в комплекте с емкостным преобразователем кабельного типа с полиэтиленовым покрытием используется для контроля уровня электропроводных жидкостей, находящихся под давлением До и имеющих температуру от —40 до

Указанные выше для уровнемера диапазоны измерения емкости преобразователя пропорциональной измеряемому уровню жидкости, зависят от типа преобразователя, его длины, характеристики жидкости и способа установки преобразователя на резервуаре.

Пластинчатые и тросовые емкостные преобразователи изготовляются длиною соответственно от 1 до 2,5 м и от 4 до 20 м. Стержневые и кабельные емкостные преобразователи изготовляются длиною соответственно от 1 до 2,5 м и от 4 до 10 м.

Установка указателя показывающего прибора на начальную отметку шкалы производится подстроечным конденсатором Для установки указателя прибора на конечную отметку шкалы служит регулируемый резистор, включенный в эмиттерную цепь транзистора усилительного каскада (на рис. 19-5-5 не показан).

Предел допускаемой основной погрешности электронного индикатора уровня равен 2,5% диапазона измерения. При применении в качестве уровнемера необходимо производить его настройку (выбор диапазона измерений, установку указателя прибора на начальную и конечную отметки шкалы), что связано с необходимостью слива жидкости из резервуара и его последующим заполнением.

Рис. 19-5-6. Принципиальная электрическая схема уровнемера с использованием емкостного преобразователя

Необходимость проведения в рабочих условиях эксплуатации такой настройки является существенным недостатком этого уровнемера. К. недостаткам следует также отнести нелинейность статической характеристики уровнемера.

Индикатор уровня в комплекте с пластинчатым или тросовым емкостным преобразователем может быть использован для измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью и с размером гранул менее

Более совершенными являются емкостные уровнемеры типа разработанные НИИТеплоприбором. Эти приборы, выпускаемые заводом «Теплоприбор» Рязань), предназначены для дистанционного измерения уровня иеэлектропроводиых и электропроводных жидкостей в комплекте с емкостным преобразователем соответственно типов

Принципиальная электрическая схема уровнемера с использованием емкостного преобразователя (рис. 19-5-2) приведена на рис. 19-5-6. Преобразование сигнала емкостного преобразователя в напряжение осуществляется мостовой измерительной схемой с обратной связью. Плечами моста служит емкость

измерительного конденсатора преобразователя емкость компенсационного конденсатора преобразователя вторичная обмотка 1—2 трансформатора и вторичная обмотка 4—5 трансформатора Вторичная обмотка 2—3 трансформатора конденсатор с постоянной емкостью и вторичная обмотка 6—7 трансформатора включены в измерительную диагональ моста,

В рассматриваемой схеме уровнемера приняты следующие обозначения: генератор синусоидальных колебаний с усилителем мощности и элементом сравнения, питающий мостовую измерительную схему стабилизированным напряжением частотой -входной трансформатор усилителя; ФД — фазовый детектор; преобразовательное устройство обратной связи; детектор; вторичный прибор; напряжение на обмотках 1—2 и 2—3 трансформатора напряжение на обмотке 6—7 трансформатора выходное напряжение преобразовательного устройства обратной связи; коэффициент трансформации обмотки 6—7 трансформатора напряжение на обмотке 4—5 трансформатора коэффициент трансформации обмотки 4—5 трансформатора

Для мостовой измерительной схемы уровнемера принято Питание емкостного уровнемера производится от сети напряжением переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.

Если уровень жидкости в резервуаре (см. рис. 19-5-2), то напряжение в измерительной диагонали моста равно нулю. При повышении уровня жидкости до значения мост разбалансируется и в измерительной диагонали его появится напряжение частотой 50 кГц. С выхода моста это напряжение, пропорциональное измеряемому уровню жидкости, подается через трансформатор на вход двухкаскадного усилителя, а затем усиленный сигнал поступает на вход фазового детектора. Сигнал постоянного тока с выхода фазового детектора поступает на вход преобразовательного устройства обратной связи, которое преобразовывает его в напряжение переменного тока частотой С выхода преобразовательного устройства напряжение подается на первичную обмотку трансформатора вторичные обмотки которого включены в измерительную схему моста, и на вход детектора. Выходным сигналом детектора является напряжение постоянного тока В качестве вторичного прибора служит вольтметр КСУ2, выполненный на базе автоматического потенциометра КСП2

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора уменьшает выходное напряжение моста до некоторого минимального значения, определяемого коэффициентом усиления передаточного тракта прибора. Наличие в одном из плеч моста компенсационного конденсатора преобразователя, преобразовательного устройства обратной связи с выходным сигналом частотой и вторичной обмотки 4—5 у трансформатора являющейся плечом моста, позволяет осуществить автоматическое введение

поправки на изменение диэлектрической проницаемости жидкости, уровень которой измеряется.

Опорное напряжение, подаваемое на фазовый детектор от генератора, совпадает с основным сигналом, пропорциональным измеряемому уровню жидкости. Сигнал помехи, обусловленный наличием сопротивления утечки в выходном параметре емкостного преобразователя, сдвинут по фазе на 90° по отношению к опорному напряжению. Это позволяет с помощью фазового детектора отфильтровывать помеху. Наличие в схеме прибора фазового детектора позволяет также получить устойчивую систему при достаточно большом коэффициенте усиления к усилительного тракта прибора.

Для рассматриваемой измерительной схемы напряжение частотой снимаемое с диагонали моста, равно:

С учетом приведенных в описании схемы равенств это выражение принимает вид:

Учитывая выражение (19-5-7), находим:

При большом коэффициенте усиления прямого канала прибора выражение (19-5-13) принимает вид:

Из этого уравнения видно, что выходное напряжение преобразовательного устройства обратной связи а следовательно, и выходное напряжение прибора не зависят от изменения электрических свойств жидкости, уровень которой измеряется. Следует также отметить, что с и измеряемое значение связаны пропорциональной зависимостью.

Рассмотренная схема уровнемера с емкостным преобразователем используется также для измерения уровня электропроводной жидкости в комплекте с емкостным измерительным преобразователем

Предел допускаемой основной погрешности емкостного уровнемера не превышает 2,5% диапазона измерения. Диапазон измерения зависит от выбранной длины электродов емкостных преобразователей. Приборы могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до и имеющих температуру от 0 до