1.2 Основні характеристики та принцип дії ємнісного первинного вимірювального перетворювача

У останній час відомо більше десяти методів, на основі яких можуть бути побудовані рівнеміри. Але найширше застосування отримали ємнісні перетворювачі із-за своєї універсальності, високої чутливості та надійності. Вони зберігають працездатність при високому тиску та температурі, можуть працювати у агресивних середовищах. Практичні обмеження на умови експлуатації таких перетворювачів накладаються лише властивостями матеріалів з яких вони виготовлені. На їх роботу впливають зовнішні електричні поля, вологість та температура оточуючого середовища.

У роботі ємнісного перетворювача використаний електроємнісний метод контролю і(ЕМК). ЕМК передбачає введення об’єкту контролю (ОК) або його досліджуваної частини у електростатичне поле та визначення шуканих характеристик об’єкту контролю з викликаної ним зворотної реакції на джерело цього поля. В якості джерела поля застосовують електричний конденсатор, який одночасно є і первинним електроємнісним перетворювачем, так як здійснює перетворювання фізичних та геометричних характеристик ОК у електричний параметр (ємність та тангенс кута діелектричних втрат). Електрична ємність та діелектричні втрати є первинними інформаційними параметрами ЕМК. Інформативність ЕМК визначається залежністю первинних інформаційних параметрів ЄП від характеристик об’єкту контролю – безпосередньо від електричних характеристик (наприклад діелектричної проникності) та геометричних розмірів ОК.

Принцип дії ємнісного рівнеміра полягає у вимірюванні ємності ємнісного перетворювача, наприклад циліндричного конденсатору, вміщеного у резервуар, у якому треба виміряти рівень рідини.

Конденсатор може бути утворений стінками резервуара та щупом, які і будуть його електродами. Очевидно, що довжина електродів повинна бути не менше максимального рівню рідини.

Ємнісний рівнемір, у загальному випадку, може використовуватись для вимірювання рівня h - площини розділу двох речовин, що відрізняються за своїми електричними характеристиками. Оскільки діелектрична проникність Е_Р рідини, рівень якої вимірюється, відрізняється від діелектричної проникності повітря Е_п (або суміші парів рідини та повітря), то ємнісний перетворювач можна уявити як два паралельно з’єднаних конденсатори. Конденсатор С₁ створений частиною електродів та діелектриком - рідиною, рівень якої вимірюється, а конденсатор С₂ - частиною електродів, що залишилися та діелектриком-повітрям. Ємність перетворювача:

С=С₁+С₂. (1.1)

Необхідною умовою роботи ємнісного перетворювача рівня є відмінність діелектричних проникностей рідини та повітря, тобто Е_РЕ_П. На цій особливості і базується принцип дії ємнісного рівнеміра.

В реальних конструкціях ємнісних рівнемірів для забезпечення механічної надійності та зменшення відносного зміщення електродів, останній фіксується з допомогою прокладок, шайб і т.п. Уся ця конструкція буде мати власну ємність, тобто перетворювач буде мати додаткову конструктивну складову ємності С₀, яка не зміниться в залежності від рівню заповнення перетворювача рідиною. Тоді загальна ємність перетворювача буде складатися із ємності трьох паралельно з’єднаних конденсаторів, тобто:

С=С₀+С₁+С₂, (1.2)

де С₀ - ємність конструктивних елементів перетворювача (паразитна ємність).

Якщо перетворювач використовувати для вимірювання не електропровідних рідин, то розрахункові формули перетворювача будуть мати вигляд:

(1.3)

(1.4)

Ці складові обчислюються як ємності циліндричних конденсаторів. Загальна ємність перетворювача буде:

(1.5)

Якщо позначити член як погонну геометричну ємність, то отримаємо вираз для рівняння перетворення у вигляді:

C=C₀+C_n1E_п+С_nh(E_р-Е_п) (1.6)

Як видно із останнього виразу, функція перетворення ємнісного перетворювача є лінійною відносно рівня який вимірюється, але має початкове зміщення.

Якщо рідина, рівень якої вимірюється, не випаровується при робочій температурі експлуатації, то у повітрі над поверхнею відсутні пари рідини, і, враховуючи те, що діелектрична проникність повітря Е_п=1, функція перетворення набуде вигляду

С= а + в h, (1.7)

де а=С₀+С_nl; в=С_n(Е_р-1).

Завдяки лінійності функції перетворення, чутливість ємнісного перетворювача є сталою величиною та визначається за формулою:

(1.8)

В разі вимірювання рівнів електропровідних, а також хімічно-активних рідин (лугів, кислот, солоної води і т.п.) для захисту електродів від корозії, їх покривають шаром ізоляційного покриття із діелектричною проникністю Е_ІЗ, причому Е_ІЗ відмінне від значень Е_р та Е_п.

Якщо товщина ізоляції f, то формули (1.3) та (1.4) набудуть наступного вигляду:

(1.9)

(1.10)

У всіх наведених формулах Е₀=8.854 (пФ/м) - абсолютна діелектрична проникність вакууму.