11.2. Електричні рівнеміри

В електричних рівнемірах рівень рідини вимірюється за допомогою резистивних і ємнісних перетворювачів.

Дія е л е к т р и ч н и х р і в н е м і р і в з резистивним перетворювачем ґрунтується на вимірюванні гідростатичного тиску стовпа рідини

,

(11.2)

де – густина рідини; – прискорення сили тяжіння; – рівень рідини.

Прикладом електричних рівнемірів є рівнеміри типу УУЖЭК. Ці рівнеміри застосовуються для вимірювання рівня різних рідин в суднових умовах.

Схема рівнеміра типу УУЖЭК показана на рис. 6.6. Прилад складається з двох основних елементів: мембранного датчика 2 і логометра 6. В герметичному корпусі датчика закріплена мембрана 7, на яку знизу діє гідростатичний тиск стовпа рідини. Порожнина над мембраною за допомогою трубки 5 сполучається з простором над рідиною; цим зменшується похибка приладу. Під дією гідростатичного тиску мембрана прогинається; її прогин передається за допомогою штока 3 і передавального пристрою на рухомий контакт (движок) потенціометра 4. Переміщення движка змінює опір і в паралельних елек-тричних колах логометра. Співвідношення сил струмів і , яке вимірюється логометром, пропорційне прогину мембрани і, відповідно, гідростатичному тиску стовпа рідини. Шкала логометра відградуйована в метрах водяного стовпа. Докладний опис принципу дії логометра наведено в розділі 3. 1 Від механічних пошкоджень мембрану захищає решітка 1.

Рівнеміри типу УУЖЭК призначені для вимірювання рівня води, рідкого палива, масла та інших неагресивних рідин. Похибка вимірювання рівня приладами типу УУЖЭК-56 не перевищує , УУЖЭК-60 і УУЖЭК-63И – . Діапазон вимірювань складає від 0…2 м до 0…10 м. В рівнемірах типу УУЖЭК-63И до одного датчика можуть приєднуватися декілька логометрів. Ресурс приладів типу УУЖЭК складає 10000 годин.

Дія є м н і с н и х р і в н е м і р і в ґрунтується на залежності електричної ємності конденсатора (датчика) від рівня рідини. Датчик рівнеміра (рис. 6.7) – це циліндричний конденсатор з коаксіально розміщеними електродами 1 і 2. Ємнісні рівнеміри з такими датчиками застосовуються для вимірювання рівня неелектропровідної рідини, питома електропровідність якої менше См/м.

Датчик розміщується в цистерні так, що частина електродів занурена в рідину на висоту , а частина виступає над рідиною на висоту . Фіксація взаємного положення електродів здійснюється за допомогою ізолятора 3.

Ємність датчика визначається як ємність двох паралельно з’єдна- них конденсаторів, один з яких утворюється електродами довжиною з діелектриком-рідиною, а другий – електродами довжиною з діелектриком повітрям або парогазовою сумішшю.

Електрична ємність циліндричного конденсатора визначається рівнянням

,

(11.3)

де – відносна діелектрична проникність речовини між електродами; – діелектрична проникність вакууму; – висота електродів; і – діаметри відповідно зовнішнього і внутрішнього електродів.

Для циліндричного конденсатора, міжелектродний простір якого заповнений речовинами з різними діелектричними проникностями, повна ємність визначається формулою

cп ,

(11.4)

де со – ємність прохідного ізолятора; с1 – ємність частини конденсатора, заповненої рідиною; с2 – ємність частини конденсатора, заповненої парогазовою сумішшю.

Враховуючи рівняння (6.3), повну ємність датчика можна представити так

cп .

(11.5)

Оскільки для парів і газів , а – величина постійна, рівняння (11.5) можна представити таким чином

cп .

(11.6)

Рівняння (6.6) є статичною характеристикою ємнісного датчика для неелектропровідної рідини. Величина εр залежить від температури і складу рідини, що є джерелом додаткової похибки. Для виключення впливу температури на результат вимірювання рівня застосовують компенсаційний конденсатор (рис. 6.8). Компенсаційний конденсатор 1 розміщений нижче ємнісного датчика 2 і повністю занурений в рідину, тому його ємність залежить лише від εр. Ємність компенсаційного конденсатора використовується в електронній схемі для коректування повної ємності датчика рівнеміра.

Ємнісні рівнеміри можуть використовуватися також для вимірювання рівня електропровідних рідин з питомою провідністю більше См/м, наприклад, морської води. Для цієї мети застосовують фазоємнісні рівнеміри, дія яких ґрунтується на вимірюванні ємнісного опору датчика, який залежить від рівня рідини.

Функціональна схема фазоємнісного рівнеміра типу ФЕУ1 показана на рис. 11.2.

Рівнемір складається з датчика 1, фазоємнісного перетворювача ФЄП і показуючого сельсинного приладу ПСП. Датчик – це спеціальний конденсатор, однією з обкладок якого є металевий провід 2, ізольований фторопластом 3, а другою – електропровідна рідина. Фторопластове покриття проводу є діелектриком конденсатора. Датчик з’єднується з показуючим приладом через фазоємнісний перетворювач.

Вимірювання рівня фазоємнісним рівнеміром здійснюється таким чином. Від генератора високої частоти Г електромагнітні коливання з частотою 50 кГц надходять в лінію, яка складається з датчика 1, перетворювача ємності ПЄ, компенсуючого елемента КЕ і штучної лінії ШЛ, з’єднаними між собою радіочастотним кабелем. Назустріч прямим електромагнітним хвилям від датчика надходять відбиті хвилі з такою ж частотою. Внаслідок інтерференції прямої Пр і відбитої Вб хвиль утворюється стояча хвиля Ст (рис. 6.10). Положення пучностей 2 і вузлів 1 стоячої хвилі залежать від реактивної і активної складових компенсаційного опору лінії.

; ,

(11.7)

де і – відповідно індуктивний і ємнісний опори лінії.

Довжина з’єднувальних кабелів і елементи штучної лінії ШЛ (дві індуктивності і дві ємності) підібрані так, щоб один з останніх вузлів стоячої хвилі був в межах штучної лінії при будь-якому змінюванні рівня рідини в цистерні (рис. 6.10). Однак при постійному значенні рівня вузол стоячої хвилі буде всередині штучної лінії, а тому високочастотний сигнал , який знімається із штучної лінії за допомогою диференціального знімача сигналів ДЗС дорівнює нулю. При змінюванні рівня рідини змінюється ємнісний опір лінії і вузол стоячої хвилі в штучній лінії зміщується в той чи інший бік, в залежності від того, як змінюється рівень – зменшується чи збільшується.

При зміщенні вузла стоячої хвилі від середнього положення на виході диференціального знімача сигналів виникає сигнал відповідної фази. Після підсилювача П сигнал надходить на керувальну об-мотку реверсивного електродвигуна РД, який починає переміщувати стрілку приладу ПСП. Одночасно двигун діє на компенсуючий елемент (котушку) так, що при виході стрілки на потрібне показання змінювання індуктивного опору скомпенсує змінювання ємнісного опору лінії. Внаслідок цього комплексний опір лінії прийме попереднє значення, вузол стоячої хвилі в штучній лінії знову займе середнє положення, і буде дорівнювати нулю. Двигун РД одночасно переміщує движок реохорда Р з метою отримання пропорційного електричного вихідного сигналу. Реохорд застосовується в разі з’єднання приладу з системою централізованого контролю.

Датчики фазоємнісних рівнемірів виготовляють гнучкої і жорсткої конструкції і тому вони можуть використовуватися для вимірювання рівня рідини в цистернах будь-якої конфігурації. Діапазон вимірювання рівня датчиками гнучкої конструкції складає 0…10 м при тиску до 4 МПа. Основна похибка не перевищує від діапазону вимірювання для діапазонів більше 1 м і – для діапазонів менше 1 м. Додаткова похибка при відхиленні температури навколишнього по-вітря від 0 до 60 оС не перевищує 0,4 значення основної похибки на кожні 10 оС. Витрата електричної потужності не перевищує 80 Вт.