XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

1Введение

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 25 – 26 кгс/см² (2,5-6,0 МПа) и имеющих температуру от — 40 до 200°С. 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 [9].

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уровень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлектропроводные и электропроводные. Такое деление жидких диэлектриков имеет некоторую условность, но является практически целесообразным. Жидкости, имеющие удельное сопротивление Ом·м и относительную диэлектрическую проницаемость , относятся к группе неэлектропроводных, 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 неэлектропроводных жидкостей не изолируют.

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

Целью работы является обобщение теории электрофизических методов контроля качественных и количественных характеристик различных жидкостей и практического применения емкостных датчиков оперативного контроля уровня и качества жидкостей.

Задачи исследования:

1. Теоретические предпосылки разработки емкостных датчиков.

2. Обзор и сравнительный анализ существующих емкостных датчиков уровня и качества жидкостей.

3. Анализ практического применения емкостных датчиков.

2Теоретические основы емкостного датчика

2.1Понятие емкостного датчика

Что такое емкостные датчики? Принцип работы их не так сложен, но для его понимания нужно кое-что знать. Для начала вспомним принцип определения емкости конденсатора. Выражается это действие при помощи следующей формулы:

Данное выражение известно из школьного курса физики, но не мешало бы освежить память и вспомнить, что подразумевает каждая из переменных:

относительная проницаемость диэлектрического материала, использованного в конструкции конденсатора.

так в физике принято обозначать диэлектрическую проницаемость вакуума.

площадь конденсаторной пластины.

так может обозначаться или толщина пластины диэлектрика, или же расстояние между несколькими слоями материала.

Таким образом, из приведенной формулы следует, что изменить емкость конденсатора легко. Достаточно как-то подействовать на площадь пластины диэлектрического материала, на расстояние между пластинами или непосредственно на проницаемость использованного при производстве материала. Соответственно, выбор конкретной величины зависит исключительно от перечня задач, которые конструкторы поставили перед прибором. Таким образом, можно даже сделать емкостной датчик своими руками, так как с конструктивной точки зрения это – обычный плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого постоянно испытывает контролируемое перемещение в пространстве, что приводит к изменению емкости. Следует помнить, что приведенная выше формула верна только в том случае, если вы полностью пренебрегаете краевыми эффектами. Следует знать, что такого рода электронные приборы интенсивно используются для измерения угловых и линейных перемещений предметов, вычисления размеров, прикладываемой работы, влажности, концентрации действующего вещества и прочих характеристик. Что касается конструктивной стороны вопроса, то упомянутые КИПы изготавливают плоскопараллельными, в цилиндрических корпусах, со штыревыми электродами, с прокладкой из диэлектрического материала и вовсе без него. Вот как функционируют емкостные датчики. Принцип работы некоторых из них нужно знать особенно подробно. Формулы для описания принципа действия некоторых видов датчиков Датчик уровня с возможным изменением площади диэлектрических пластин может быть довольно легко описан при помощи следующего уравнения:

Под «Х» в данном случае понимается длина перекрытия используемых электродов. Соответственно, «а» обозначает ширину пластин самого конденсатора. Нужно заметить, что такие приборы нашли свое применение в самых различных областях промышленности, где их используют для точнейшего измерения угловых величин.

2.2Общие положения емкостного датчика уровня

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах.

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета.

Измерение уровня — довольно распространенный измерительный процесс в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности, а так же в теплоснабжении. Иногда по результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мерные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему зна­чению уровня значение объема резервуара.

Средства измерений уровня называются уровнемерами. Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т. д.).

Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую ве­личину — уровень — и преобразует ее в выходной сигнал (электрический, пневматический, частотный), поступающий на последующие преобразова­тели, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

Принцип действия первичных преобразователей уровнемеров основан на различии физических свойств веществ, образующих границу раздела.

В настоящее время в промышленности широко применяются емкостные 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.

Емкостный датчик представляет собой металлический электрод в виде стержня, покрытого слоем электрической изоляции из пластмассы. Электрод вместе с измеряемым веществом образует конденсатор, емкость которого зависит от глубины погружения электрода.

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.

Емкостный датчик подключается к электронному усилителю. Усилитель преобразует изменение емкости конденсатора в пропорциональное изменение величины тока. На выходе усилителя включен обычный электроизмерительный прибор. Шкала прибора отградуирована в единицах высоты уровня вещества.

Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление Ом·м и диэлектрическую проницаемость . Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы.

Рисунок 1, a,б – Схема конденсаторного преобразователя уровня для неэлектропроводных сред. 1,2 — электроды; 3 — резервуар; 4 — изолятор

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,а).

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

В общем виде емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

(1)

где диэлектрическая проницаемость вакуума;

относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство;

высота электродов;

диаметры внутреннего и наружного электродов.

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

где относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя кроме емкостей ,определяется также емкостью проходного изолятора и его активным сопротивлением (емкость образуется электродами преобразователя на участкесопротивление обусловлено проводимостью материала изолятора на этом участке), а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.

Таким образом, электрическая схема преобразователя имеет вид (рис.1,б). Суммарная емкость преобразователя:

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

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

Рисунок 2 – Схема преобразователя с компенсационным конденсатором

Для уменьшения влияния изменения 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 . Нижняя часть электрода 1 и дополнительный электрод 3 образуют компенсационный конденсатор, который постоянно погружен в жидкость, и, следовательно, его емкость зависит только от . Емкость компенсационного конденсатора используется в электронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение по сравнению со схемой (рис.1, а,б) не измеряемого уровня, обусловленного высотой электродов компенсационного конденсатора. Отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора (см. 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. Схема преобразователя, выполненного в виде стержня (электрода) 1, покрытого слоем изоляции 2 и погруженного в металлический резервуар 3 (рис.3,а). Зависящую от уровня емкость преобразователя можно представить как емкость двух последовательно соединенных конденсаторов .

Рисунок 3,а,б – Схема конденсаторного преобразователя уровня для электропроводящих жидкостей

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 . Параметр — емкость конденсатора, одной обкладкой которого является поверхность жидкости на границе с изолятором 2 (общая с обкладкой конденсатора ), второй — поверхность резервуара 3. С увеличением емкость также растет. Параметр — активное сопротивление жидкости; — емкость и активное сопротивление проходного изолятора.

Таким образом, полная емкость преобразователя определяется выражением:

Как и в схеме (рис.3,а,б), 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 различные схемы. Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (рис.4).

Рисунок 4 – Принципиальная схема электронного индикатора уровня

Мост состоит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора (питаемого генератором Г), емкости преобразователя и подстроечного конденсатора . 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. помощью усилителя этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП.

Рисунок 5 – Измерительная схема уровнемера РУС

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

Более сложная измерительная схема используется в уровнемерах типа РУС (рис.5). 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 . 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 импульсной формы, амплитуда которого определяется емкостью конденсатора, т.е. значениями контролируемого уровня и диэлектрической проницаемости среды. Преобразователь 4 имеет аналогичное исполнение, но питается напряжением , пропорциональным выходному току (т.е. используется отрицательная обратная связь).

Таким образом, амплитуда выходного импульсного напряжения преобразователя 4 зависит от емкости компенсационного конденсатора (т.е. диэлектрической проницаемости среды) и значения . Сигналы с преобразователей 3 и 4 вычитаются и разностный сигнал подается на вход импульсного детектора 5, преобразующего импульсный сигнал в напряжение постоянного тока . Напряжение затем используется в качестве сигнала обратной связи и усилителем 6 преобразуется в унифицированный токовый выходной сигнал. В статическом режиме выходное напряжение и токпринимают такие значения, при которых . При увеличении уровня и будет увеличиваться _, что приведет к увеличению и , так как увеличение возможно только за счет увеличения при емкость компенсационного конденсатора не изменяется). Предположим , но увеличилась диэлектрическая проницаемость при этом и не должны измениться. Действительно, при этом увеличится , но одновременно увеличится и значение (при ), 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, взрывоопасных при температурах от -60 до 250 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 Мегсар 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 %.

3Практическое применение емкостных датчиков

3.1Устройство 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 ЭСУ-1, ЭСУ-2 и др. 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.

Рисунок 6 – Принципиальная электрическая схема уровнемера ЭИУ-2

Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ-2, выпускаемого рязанским заводом «Теплоприбор» (рис.6). Измерительная схема представляет индуктивно-емкостный мост, состоящий из индуктивностей двух вторичных обмоток трансформатора , конденсаторов (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 (перемычка в положении 1 – 3, 1 – 4) или (перемычку устанавливают в положение 1 – 3, 1 – 5), то измеряемая емкость преобразователя должна находиться соответственно в диапазоне .

Питание прибора осуществляется напряжением переменного тока 220 или 127 В, частотой 50 Гц. Измерительный мост питается от генератора синусоидальных колебаний частотой 100 кГц, собранного на транзисторе по схеме с -контуром. Сигнал разбаланса моста, пропорциональный контролируемому уровню жидкости, подается на вход усилителя, состоящего из эмиттерного 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 M325, включаемый в разрыв эмиттерной цепи транзистора выходного каскада [1].

Электронный индикатор уровня ЭИУ-2 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 ЭИУ-2 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 ЭИУ-2 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. 2.6 не показан).

Предел допускаемой основной погрешности электронного индикатора уровня ЭИУ-2 равен 2,5% диапазона измерения. При применении ЭИУ-2 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. Необходимость проведения в рабочих условиях эксплуатации такой настройки является существенным недостатком этого уровнемера. К. недостаткам следует также отнести нелинейность статической характеристики уровнемера.

Индикатор уровня ЭИУ-2 в комплекте с пластинчатым или тросовым емкостным преобразователем может быть использован для измерения уровня сыпучих тел с постоянной влажностью и с размером гранул менее 5 мм.

Рисунок 7 – Принципиальная электрическая схема уровнемера ДЕУ-2 с использованием емкостного преобразователя ПЕ-6.

Более совершенными являются емкостные уровнемеры типа ДЕУ-2, разработанные НИИТеплоприбором. Эти приборы, выпускаемые заводом «Теплоприбор» (г. Рязань), предназначены для дистанционного измерения уровня неэлектропроводных и электропроводных жидкостей в комплекте с емкостным преобразователем соответственно типов ПЕ-6 и ПЕИ-1 [10].

Принципиальная электрическая схема уровнемера ДЕУ-2 с использованием емкостного преобразователя ПЕ-6 приведена на рис.7. 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: Г генератор синусоидальных колебаний с усилителем мощности и элементом сравнения, питающий мостовую измерительную схему стабилизированным напряжением частотой 50 кГц; входной трансформатор усилителя; ФД — фазовый детектор; ПУОС – преобразовательное устройство обратной связи; Д – детектор; ВП – 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 [8].

Если уровень жидкости в резервуаре , 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 50 кГц. 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 50 кГц 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 50 кГц, снимаемое с диагонали моста, равно:

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

Учитывая выражение (6), находим:

(2)

При большом коэффициенте усиления прямого канала прибора выражение принимает вид:

(3)

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 и измеряемое значение связаны пропорциональной зависимостью.

Рассмотренная схема уровнемера ДУЕ-2 с емкостным преобразователем ПЕ-6 используется также для измерения уровня электропроводной жидкости в комплекте с емкостным измерительным преобразователем ПЕИ-1.

Предел допускаемой основной погрешности емкостного уровнемера ДУЕ-2 не превышает 2,5% диапазона измерения. Диапазон измерения зависит от выбранной длины электродов емкостных преобразователей. Приборы ДУЕ-2 могут быть использованы для измерения уровня жидкостей, находящихся под давлением до и имеющих температуру от 0 до 200°С.

3.2Приборы, основанные на измерении диэлектрической проницаемости

ИИС для оценки октанового числа на базе диэлектрического октанометра

Октанометр, принцип работы, которого основан на измерении диэлектрической проницаемости топлива в зависимости от его октанового числа с поправкой на температуру. На данном методе Астаповым В.Н. разработан октанометр «АС-2004», фото на рис.8. Датчик изготовлен в виде коаксиально расположенных цилиндров, которые образуют конденсатор.

Емкость датчика в воздухе и активная проводимость датчика при указанных параметрах:

площадь цилиндра (пластин) датчика;

расстояние между пластинами;

пФ/м

нСим/м удельная активная электропроводимость бензина.

Составит:

Что соответствует активному сопротивлению датчика наполненного бензином 1,3 Мом.

Результаты исследований показали что, соотношения диэлектрических проницаемостей и удельная электропроводимость при двух различных частотах синусоидального сигнала бензина, являются важными факторами в идентификации бензинов.

Рисунок 8 – Октанометр «АС – 2004»

Данный октанометр прошел метрологическую аттестацию, внесен в Госреестр и было налажено мелкосерийное производство на НТФ «ПРОТОН», г. Самара.

Эксплуатация на НПЗ и в Калининградской теплотехнической лаборатории показала, что октанометр «АС-2004» может использоваться в качестве контрольного прибора.

Задача измерения октанового числа бензина решается успешно в том случае, если калибровочное множество (набор калибровок с известными значениями октанового числа) принадлежит некоторому определенному классу, характеризующемуся сходством по углеводородному составу [2].

Прибор для измерения жирности молока

Количество жира в молоке обычно колеблется от 2 до 6 %. Поэтому, чтобы погрешность измерений не превышала 5 % от минимального процента жирности, необходимо иметь абсолютную погрешность измерения ее по всей массе молока порядка 0,1... 0,3 %. Получить такую высокую точность измерения трудно. Как правило, жирность определяют кислотным методом, что создает опасность для обслуживающего персонала. Этот метод требует сложного лабораторного оборудования, больших затрат времени, трудоемок, все это ограничивает применение его непосредственно на фермах. Вот почему проблема измерения жирности на фермах остается злободневной.

Рисунок 9 – Схема емкостного измерителя жирности молока

Поэтому используется схема емкостного измерителя жирности молока (рис.9). В зависимости от содержания жира в молоке изменяется его диэлектрическая постоянная, а следовательно, и емкость между двумя пластинками, разделенными слоем молока. На этом основана работа емкостных измерителей жирности молока. Датчик , представляющий собой стеклянный сосуд объемом 1 см3 с наклеенными по бокам двумя обкладками из фольги, включают в одно плечо измерительного моста, который состоит из двух транзисторных Плеч (VT2-R2- и VТЗ-R3-) и двух плеч резисторов (R4-R5-R6). В одну диагональ моста включают источник постоянного тока напряжением 4,5 В, а в другую -миллиамперметр РА источник постоянного тока напряжением 4,5 В, а в другую - миллиамперметр РА.

Датчики перемещения

Датчик перемещения емкостный с унифицированным выходным сигналом предназначен для измерения перемещения рабочих частей объекта. Он обеспечивает непрерывное преобразование измеряемого параметра в унифицированный выходной сигнал ±5мА. Датчик снабжен магнитными стойками, что значительно упрощает его установку на объекте.

Линейные датчики

Линейные датчики наряду с угловыми являются наиболее распространенными приборами систем контроля и управления. В настоящее время в рамках системы начат серийный выпуск датчиков малых линейных перемещений (4 модификации), охватывающих диапазон измерений от 0-1мм до 0-50мм.

Конструктивно приборы представляют собой цилиндрический конденсатор с одной из обкладок, перемещающейся вдоль оси. Механически это один из самых отработанных в машиностроении узлов: цилиндр с ходящим внутри него поршнем.

Датчики измерения угла поворота. Поворотный конденсатор

Построенные на переменных пластинчатых конденсаторах.

Важной характеристикой конденсатора переменной емкости является закон изменения емкости в зависимости от угла поворота ротора.

Прямоемкостный конденсатор характеризуется линейной зависимостью емкости от угла поворота ротора.

Прямоволновой конденсатор имеет квадратичную зависимость емкости от угла поворота.

Логарифмический конденсатор характеризуется постоянством относительного изменения емкости при повороте ротора на 1.

Возможна система с поворачивающейся пластиной диэлектрика и неподвижными электродами. Во всех случаях, зависимость емкости, от угла поворота обеспечивается формой пластины.

3.3Уровнемеры отечественного производства

Датчик уровня топлива Эталон 5-15 (ДУТ) представляет собой устройство, которое помещается в резервуар или топливный бак транспортного средства, илистационарной установки, не нарушая топливную систему. Система мониторинга транспорта ГЛОНАСС/GPS, подключенная к бортовому оборудованию автомобиля, считывает информацию с датчика. Посредством средств связи эти данные попадают в центр сбора информации. Можно легко отслеживать объемы заправляемого и расходуемого топлива для каждой единицы техники. Благодаря данной системе всегда будет информация об объемах топлива, что позволит свести к минимуму случаи хищения и значительно снизить издержки. Работа ёмкостного датчика уровня топлива основана на принципе изменения ёмкости между двумя электродами, исполненными в виде трубок различного диаметра вставленных одна в другую. Ёмкость такого конденсатора изменяется в зависимости от заполнения жидкостью пространства между электродами. При погружении датчика этот зазор заполняется топливом, меняется емкость датчика.

Емкостной датчик уровня топлива подходит для высокоточных измерений. Устанавливается на любые транспортные средства и стационарные объекты с бензиновым или дизельным топливом.

Устройство и принцип работы

Принцип измерения датчика – емкостной. Чувствительным элементом датчика является конденсатор, образованный двумя концентрическими трубками, емкость которого изменяется при изменении уровня погружения трубок в ГСМ. Данный конденсатор включен в задающую цепь измерительного генератора, поэтому период сигнала выдаваемого измерительным генератором напрямую зависит от емкости чувствительного элемента, и соответственно от уровня погружения трубок чувствительного элемента в топливо. Далее микроконтроллер согласно заложенной в него программе измеряет период сигнала, выдаваемого измерительным генератором, нормализует и усредняет его, производит проверку на допустимость измеренных значений. Если результат проверки положительный, то микроконтроллер формирует частотный сигнал в области рабочих частот (от 500 до 1500Гц) прямо пропорциональный уровню погружения чувствительного элемента в топливо. Если результат проверки периода сигнала, выдаваемого измерительным генератором, отрицательный или обнаружена какая либо иная ошибка, диагностируемая заложенной программой, то микроконтроллер формирует частотный сигнал с частотой, соответствующей одному из кодов ошибок.

Преимущества:

1) «Сухая» калибровка датчика после обрезки на необходимую длину за 20 секунд! Емкости с топливом для калибровки датчика не нужны!

2) Простой в обращении беспроводной калибратор. Компьютер для калибровки не нужен!

3) Постоянный и предсказуемый диапазон частот: пустой бак 500 Гц, полный бак 1500 Гц.

4) Взаимозаменяемость.

Корпус из анодированного алюминиевого сплава АМГ6.

5) Гальваническая развязка измерительной части от корпуса выдерживает 50000 В.

6) Прямая линейная характеристика.

7) Не реагирует на воду при ее кратковременном попадании в трубку датчика.

Датчики контроля уровня сыпучих материалов ёмкостные. Компания «ТЕКО»

Рисунок 10 – Датчики контроля уровня сыпучих материалов ёмкостные. Компания «ТЕКО»

Работа емкостных датчиков уровня основана на различии диэлектрической проницаемости контролируемого материала и воздуха.

Емкостные датчики используются для контроля уровня как жидких, так и сыпучих сред. Устанавливаются, как правило, в боковую стенку резервуара на таком уровне на котором требуется обнаружение контролируемого материала.

Особенностью датчиков емкостного типа является их способность обнаруживать контролируемый материал через неметаллическую (диэлектрическую) стенку резервуара, например, контролировать наличие жидкостей (воды, кислот и др.) через стенку пластиковой емкости. Также, емкостные датчики контроля уровня сыпучих материалов и жидкости, способны различать границу раздела сред, отличающихся по диэлектрической проницаемости (), например, обнаружение слоя воды на поверхности масла (топлива) [10].

Емкостные датчики уровня могут быть использованы там, где использование других типов датчиков затруднительно, например, для контроля наличия жидкости в трубопроводе.

Емкостные датчики уровня производства компании НПК "ТЕКО" можно разделить на два подтипа: контроль уровня без контакта со средой и контроль уровня в контакте со средой.

Контроль уровня без контакта со средой

Емкостные датчики, выпускаемые в стандартных корпусах. Применяются для контроля уровня сыпучих веществ и контроля уровня жидкостей через диэлектрическую стенку резервуара.

Если резервуар металлический, то в металлическом резервуаре на требуемом уровне вырезают окно (люк), в которое устанавливают перегородку из диэлектрика (стекло, оргстекло, фторопласт). Емкостный датчик устанавливают напротив перегородки. Толщина перегородки должна быть значительно меньше расстояния срабатывания датчика. Если резервуар изготовлен из диэлектрика, то контроль уровня материала емкостным датчиком возможен через стенку самого резервуара.

Контроль уровня в контакте со средой

Специальные емкостные датчики, предназначенные для встраивания в стенку или крышку резервуара, трубопровода, используются для контроля уровня жидкостей в т.ч. жидкостей находящихся под избыточным давлением. Как правило это датчики с выносной (штырьевой) чувствительной поверхностью.

Датчик закрепляют на стенке или крышке резервуара, либо на трубопроводе так, чтобы чувствительный элемент был погружен в контролируемую среду. Таким образом можно контролировать наличие жидкости в процессах, где ее отсутствие может вызвать аварийную ситуацию.

Такие датчики изготавливают из материалов стойких к коррозии и к воздействию агрессивных сред (корпус -нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, чувствительная поверхность – фторопласт-4).

Возможность применения таких датчиков в пищевой промышленности подтверждена санитарно-эпидемиологическим заключением №77.МУ.02.342.П.000104.01.08 от 31.01.2008.

4Заключение

В реферате проведены краткие исследования теории электрофизических методов контроля качественных и количественных характеристик различных жидкостей и рассмотрены теоретические предпосылки разработки емкостных датчиков и их практическое применение для оперативного контроля уровня и качества жидкостей.

При этом проведен обзор и сравнительный анализ существующих емкостных датчиков уровня и качества жидкостей.

Проведен анализ практического применения емкостных датчиков. При этом получены следующие результаты и выводы.

1. При применении емкостных уровнемеров необходимо иметь в виду, что измеряемый уровень жидкости функционально связан с диэлектрической проницаемостью веществ.

Диэлектрическая проницаемость демонстрирует, во сколько раз напряженность поля данных зарядов в диэлектрике (однородном) будет меньше, чем в вакууме.

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

3. Принцип действия первичных преобразователей уровнемеров основан на различии физических свойств веществ, образующих границу раздела.

4. В промышленности широко применяются емкостные уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от ее уровня.

5. Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей, т.е., жидкости, имеющие удельное сопротивление Ом·м и относительную диэлектрическую проницаемость , относятся к группе неэлектропроводных, а жидкости, имеющие относятся к группе электропроводных.

6. Рассмотрены и проанализированы уровнемеры отечественного производства, их конструкции и области применения, а именно датчик уровня топлива Эталон 5-15 (ДУТ) и ёмкостные датчики контроля уровня сыпучих материалов Компании «ТЕКО».

Список литературы

1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие. – Изд. 3-е, перераб. и доп. Под ред. Кошарского Б.Д. – Л.: Машиностроение, 1976.

2. Астапов В.Н. Методологические и схемотехнические решения в системах контроля и управления на нефтеперерабатывающем заводе – Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2006. 286 с.

3. Борисов Г.С. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991.

4. Гельперин Н.И. Основные процессы и автоматы химической технологии. – М.: Химия, 1981.

5. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и регулирования. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Высшая школа, 1983. – 312с.

6. Кошарский Б.Д. Справочник по приборам теплового контроля и авторегулирования для электростанций и промышленных котельных. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1964.

7. Советский энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. – 3-е изд. – М.: Сов. Энциклопедия, 1984.

8. Чертов А.Г. Физические величины: Справочное пособие. – М.: Высшая школа, 1990. – 335с.

9. http://sci.alnam.ru/book_ttp.php

10.https://teko-com.ru/katalog/emkostnye-datchiki/emkostnye-datchiki-urovnja/

11. https://studfiles.net/preview/2609474/page:24/

12. http://www.gss-t.ru/dtr/266/61/index.pl

Код для цитирования: Скопировать