книги / Теплотехнические измерения и приборы

образным. Жидкости, имеющие удельное сопротивление р > 107 н-

имеющие р =sS 105 10е Ом-м и еж ^ 7 -г- 10, относятся к группе электропроводных. Следует отметить, что удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость жидкостей в боль­ шой степени зависят от частоты напряжения, на которой произво­ дится измерение уровня. Вследствие различия электрических харак­ теристик жидкостей емкостные преобразователи уровнемеров выпол­ няют различными. Принципиальное различие состоит в том, что

образно применять преобразователи со стержнем или тросом, рас­ полагаемым в стальной трубе, являющейся вторым электродом преобразователя.

Рассмотрим приведенную на рис. 19-5-1 схему устройства ем­ костного преобразователя уровнемера, выполненного в виде ци­ линдрического 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 С0я, измеренная на зажимах а, когда между электродами 2 и 3 на рабочем их участке высотою Н нахо­

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

родами 2 и 3, Ф; С0п — начальная емкость преобразователя на рабочем его участке высотою Я, заполненном воздухом, для кото­ рого можно принять относительную диэлектрическую проницае­ мость ев = 1, Ф, согласно формуле

Соп=2яе^_. (19-5-2)

In-Ût ri

здесь е0— электрическая постоянная или абсолютная диэлектри­ ческая проницаемость свободного пространства (е0= 8,85 • 10-12 Ф/м); гх и г3 — радиусы соответственно электродов 3 и 2, м.

Если конденсатор преобразователя на участке высотою h за­ полнен жидкостью, уровень которой измеряется, а на участке Я — h — воздухом и парами этой жидкости, то емкость преобра­ зователя на зажимах а определяется выражением

образователя на участке высотою Я — h, заполненном воздухом и парами жидкости с относительной диэлектрической проницаемо­ стью е2, согласно формуле

С3— емкость преобразователя на участке высотою Л, заполненном жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью еж, согласно формуле

1п —

Г\

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

Caa = f{jfj.

Для обеспечения однозначной зависимости этой функции при измерении уровня жидкости в рабочих условиях эксплуатации необходимо иметь постоянство значений Си е2 и еж. Постоянство значения С2. в необходимых пределах обеспечивается благодаря применению изоляционных материалов и кабеля с малым темпера­ турным коэффициентом электрической емкости. Изменением зна­ чения е2 можно пренебречь, так как для большинства газов и паров

жидкостей, уровень которых измеряют емкостным методом, отно­ сительная диэлектрическая проницаемость е2 незначительно отли­ чается от единицы и поэтому можно принять е2 = 1. В этом случае без учета емкости Сх выражение (19-5-6) принимает вид:

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

где Деж — еж еж.

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

Рассмотрим влияние активного сопротивления утечек преобра­ зователя на точность измерения уровня. Полное сопротивление преобразователя Z по отношению к зажимам а состоит из емкост­ ного сопротивления 1 /соСпа и параллельного ему активного сопро­ тивления Rna. В этом случае полная проводимость цепи преобразо­

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

Активное сопротивление утечки преобразователя Ru опреде­ ляется в основном высотою уровня жидкости в нем, т. е. значе­

нием h/H. Если учесть, что удельное электрическое сопротивление неэлектропроводных жидкостей достаточно большое, то вследствие

на точность измерения уровня будет оказывать сопротивление утечки Rv Соотношение между емкостным сопротивлением 1 /шСпа и параллельным ему активным сопротивлением R„a зависит также от рабочей частоты тока, на которой производят измерение уровня жидкости.

Наличие сопротивления утечек в выходном параметре преобра­ зователя приводит к появлению в измерительной схеме уровнемера сигнала помехи, фаза которого сдвинута относительно фазы основ­ ного сигнала на 90°. Это в свою очередь при­

роды измерительного конденсатора, а 3 и 2 (нижняя часть) — элект­ роды компенсационного конденсатора. Емкость компенсационного конденсатора Ск = С0кеж (С0к — начальная емкость компенсацион­ ного конденсатора при е„ = 1) меняется с изменением еж. Компен­ сационный конденсатор всегда остается полностью погруженным в жидкость, уровень которой измеряется. Это обусловливает нали­ чие неизмеряемого уровня жидкости в резервуарах, зависящего от высоты компенсационного конденсатора Лк, которая для преобра­ зователя ПЕ-б уровнемера ДУЕ-2 равна 200 мм.

Конструктивно преобразователь ПЕ-6 выполнен из двух жестко соединенных конденсаторов: образованного двумя коаксиально рас­ положенными трубами, и компенсационного, состоящего из не­ скольких коаксиально расположенных коротких труб.

Первичные преобразователи для измерения уровня электропро­ водных 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 не­ проводящего материала, то необходимо для обеспечения надеж­ ности измерения параллельно оси изолированного электрода уста­ навливать в резервуаре металлические электроды (например, стержни, трубы, полосы) на определенном расстоянии, рекомендуе­ мом заводом-изготовителем. Стабильность характеристик прибора и точность измерения уровня будут обеспечиваться в большей степени, когда у преобразователя изолированный электрод рас­ положен в стальной трубе. Примером этого может служить уров­ немер ДУЕ-2, работающий с преобразователем ПЕИ-1, у которого изолированный электрод, выполненный в виде U -образного про­ хода, установлен в стальной трубе.

,0 Ift

С,

Иг

На рис. 19-5-3 представлена схема устройства емкостного пре­ образователя 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 цилиндриче­ ская стенка резервуара 3, в котором измеряют уровень жидкости. Рассмотренная схема преобразователя используется в емкостном индикаторе уровня типа ЭИУ-2. На рис. 19-5-4 изображена экви­ валентная электрическая схема этого преобразователя. Здесь Сг — емкость проходного изолятора 4 и соединительного кабеля, значе­ ние которой не зависит от среды, находящейся в резервуаре; С2— емкость, образованная наличием на электроде 1 изоляционного покрытия 2 с диэлектрической проницаемостью е2 на участке дли­ ною Я — А; С3 — емкость менаду наружной поверхностью изоли­ рованного электрода 1 и стенкой резервуара 3 на участке высо­ тою Я — А, где диэлектриком являются воздух и пары жидкости, уровень которой измеряют; С4 — емкость, образованная наличием на электроде 1 изоляционного покрытия с диэлектрической про-

ницаемостью е2 на участке высотою h, соприкасающемся с проводя­ щей жидкостью; С5— емкость между наружной поверхностью изолированного электрода 1 и стенкой резервуара 3 на участке высотою h, где диэлектриком служит жидкость с диэлектрической проницаемостью еж; У?г — активное сопротивление утечек, значение которого зависит от качества изоляционного материала, применяе­ мого в конструкции преобразователя, от сопротивления утечки соединительного кабеля и проводящих пленок, которые могут образовываться на поверхности изолятора; R2— активное сопро­ тивление утечки на участке Я — h, зависящее от удельного элект­ рического сопротивления воздуха, паров жидкости и изоляционного материала на стержне (проводимостью утечки на этом участке можно пренебречь); R3— активное сопротивление утечки на участке вы­ сотою h, значение которого зависит от удельного электрического сопротивления жидкости pÏK.

Емкости С2 и С3, включенные последовательно, малы по сравне­ нию с емкостью на участке Л, и ими можно пренебречь. При повы­ шении уровня общая емкость С4 и С5 возрастает, так как поверх­ ность соприкосновения с электродами 1 и 3 проводящей жидкости увеличивается, кроме того, в этом случае мы имеем как бы умень­ шение расстояния между электродами / и 3. Таким образом, емкость преобразователя, отнесенная к зажимам а, пропорциональна изме­

преобразователя приводит к появлению дополнительного сигнала, фаза которого будет сдвинута относительно основного сигнала так же, как в уровнемере для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей.

Устройство емкостных уровнемеров. В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя, пропор­ циональной контролируемому уровню жидкости, используют ре­ зонансные и мостовые схемы.

Резонансные схемы применяют в емкостных (электронных) сиг­ нализаторах уровня ЭСУ-1 , ЭСУ-2 и др. [75, 861. Эти сигнализа­ торы 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 при­ боры этих уровнемеров могут иметь контактное устройство для сиг­ нализации предельных значений уровня.

Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ-2, выпускаемого рязанским заводом «Теплоприбор», приведена на рис. 19-5-5. Измерительная схема представляет индуктивно-емкост­ ный мост, состоящий из индуктивностей двух вторичных обмоток

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

Предел допускаемой основной погрешности электронного инди­ катора уровня ЭИУ-2 равен 2,5% диапазона измерения. При при­ менении ЭИУ-2 в качестве уровнемера необходимо производить его настройку (выбор диапазона измерений, установку указателя при­ бора на начальную и конечную отметки шкалы), что связано с не­ обходимостью слива жидкости из резервуара и его последующим заполнением. Необходимость проведения в рабочих условиях экс-

Рис. 19-5-6. Принципиальная электрическая схема уровнемера ДЕУ-2 с исполь­ зованием емкостного преобразователя ПЕ-6.

плуатации такой настройки является существенным недостатком этого уровнемера. К недостаткам следует также отнести нелиней­ ность статической характеристики уровнемера.

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

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

Принципиальная электрическая схема уровнемера ДЕУ-2 с ис­ пользованием емкостного преобразователя ПЕ-6 (рис. 19-5-2) при­ ведена на рис. 19-5-6. Преобразование сигнала емкостного преобра­ зователя в напряжение осуществляется мостовой измерительной схемой с обратной связью. Плечами моста служит емкость измери­