6.4. Ємнісні рівнеміри

У ємнісних рівнемірах використовуються діелектричні властивості рідин. Первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) ємнісного рівнеміра (рис. 6.4) являє собою електричний конденсатор, який перетворює зміну рівня рідини на пропорційне змінювання ємності. ПВП являє собою електрод або електроди (ціліндричні або у виглялі пластин), що опускаються у вимірюване за рівнем середовище.

Принцип ємнісних ПВП грунтується на різниці між діэлектричною проникністю рідини та повітря і відповідно на залежності електричної ємності датчи­ка від зміни рівня рідини або сипкого матеріалу постійної вологості. Для кожного значення рівня, ємність датчика визначається як ємність двох пара­лельно з’єднаних конденсаторів, один з яких утворюється частиною елект­родів перетворювача і рідиною, рівень якої вимірюється, а другий — іншою частиною електродів перетворювача і повітрям або парою рідини.

Ємнісний рівнемір (рис.6.4) складається з ПВП 1, що опускається у вимірюване середовище, проводів 2 з’єднання, вимірювального блоку 3 і показуючого

або самописного приладу 4.

Ємність перетворювача, що має постійну по висоті форму електродів (у Ф):

С = G₀h + ₀G₀ ( l-h) = [(_r - 1) h + 1) ₀G₀, (6.4)

де  = _r₀— абсолютна діелектрична проникність матеріалу, Ф/м; G₀ - стала провідності системи електродів, яка залежить від їхньої геометрії; h — глибина занурення електрода в матеріал, м; l — повна довжина електродів, м.

Для неелектропровідних матеріалів застосовуються неізольовані електроди у вигляді стержня, двох коаксіальних циліндрів або паралельних пластин. Для електропровідних матеріалів електроди покриваються шаром ізоляції, частіше всього фторопластом. Електроди включаються в мостову схему або коливальний контур генератора високої частоти. Зміна рівня вимірюваного середовища приводить до зміни ємності у міжелектродному просторі датчика, що для пластинчатого перетворювача викликає зміну його ємності за формулою:

С = [0,088b/a] [_жh+ (H- h)], (6.5)

де b - ширина пластини перетворювача, м; а — відстань, між пластинами, м; _ж -діелектрична проникність рідини; h — вимірювана висота рівня, м; _ср — діелектрична проникність середовища (для повітря _в=1); Н — висота (довжина) пластин, м.

Ємнісні сигналізатори рівня по конструкції, простіші ємнісних рівнемірів і являють собою ємнісні реле, що спрацьовують при підході рівня середовища до електрода (або при його зануренні в середовище).

6.5. Акустичні та ультразвукові рівнеміри

За принципом дії акустичні рівнеміри можна поділити на: локаційні; поглинання та резонансні.

У локаційних рівнемірах використовується ефект відбиття ультразву­кових коливань від границі розділу рідина - газ. Значення рівня визначається за часом проходження ультразвукових коливань від джерела до приймача після відбиття їх від поверхні розділу. У рівнемірах поглинання положення рівня визначається за послабленням інтенсивності ультразвуку при проходженні через шари рідини і газу. У резонансних рівнемірах визначення рівня відбувається через вимірювання частоти власних коливань стовпа газу над рідиною, яка залежить від рівня цієї рідини.

Найбільшого поширення набули локаційні рівнеміри, в яких використовується метод ехо-локації рівня ріди­ни або поверхні сипкого матеріалу через газове середовище. Принцип дії акустичних (ультразвукових) рівнемірів заснований на властивості коливань відбиватися від границі розподілу середовищ із різним акустичним опором. У рівнемірах, як правило, використовується метод імпульсної локації границі розподілу газ - рідина (сипучий матеріал) з боку газу. Мірою рівня в цьому випадку є час поширення ультразвукових коливань від джерела випромінювань до площини (границі) розподілу й назад.

Швидкість звуку у твердих тілах (у м/с)

( 6.6)

де Е — модуль пружності, Па; — густина матеріалу, кг/м³.

Швидкість звуку в рідинах (у м/с):

(6.7)

де k=1/x — модуль всебічного стиску, Па; х — коефіцієнт стиску, м²/Н;  — щільність рідини, кг/м³.

Швидкість звуку в газах

(6.8)

де р — тиск газу, Па;  — щільність газу, кг/м³; R — газова стала, Дж/( кг*К); Т — температура газу, К.

Як видно з наведених формул, у всіх випадках швидкість звуку залежить від температури, тому що вона виражається через щільність, що у свою чергу сильно залежить від температури. До достоїнств ультразвукових рівнемірів варто віднести нечутливість їх до зміни властивостей вимірюваного середовища, великий температурний діапазон, висока надійність і точність вимірювань. На рис. 6.5 наведена структурна схема рівнеміра, що застосовується для вимірювання рівня неоднорідних рідин, що кристалізуються і випадають в осад. Діапазон вимірювання рівня 0—3 м; клас точності 2,5; температура контрольованого середовища 10—80° С; тиск середовища 0,6—4 МПа.

При роботі рівнеміра генератор електричних імпульсів 2 виробляє електричні імпульси з певною частотою повторення, які перетворяться за допомогою акустичного вимірювального перетворювача 1 в ультразвукові коливання, випромінювані в напрямку вимірюваного рівня. Цей перетворювач виконується зі спеціальної п’єзокераміки (титанату барію). Ультразвукові імпульси, перетворені з електричних, поширюються вздовж акустичного тракту, досягають рівня розподілу середовищ і, відбиваючись від нього, вертаються назад до перетворювача 1, за допомогою якого відбувається зворотне перетворення з акустичних коливань в електричні.

Таким чином, рівень матеріалу в ємкості визначають за часом запізнювання відбитого сигналу, щодо поданого (у с), тобто, = 2Н/с₃, (6.9)

де Н - відстань від випромінювача до матеріалу, м; с₃ — швидкість поширення звуку в середовищі, що перебуває над матеріалом, м/с.

Потім електричні імпульси підсилюються й формуються за допомогою підсилювача-формувача 3, від якого вони подаються на схему вимірювання сасу відбитого сигналу 4, де відбувається перетворення цього сигналу в часовий інтервал, пропорційний значенню вимірюваного рівня. За допомогою блоку порівняння 5, що підсилювально-перетворювального пристрою 6 і пристрою зворотного зв'язку 7 цей сигнал перетвориться у вихідний електричний сигнал шляхом автоматичного спостереження за тривалістю імпульсів від тригера схеми вимірювання часу 4. При цьому прямокутні імпульси зі схеми вимірювання часу 4 і з ланцюга пристрою зворотного зв'язку 7 подаються в схему блоку порівняння 5, у якій відбувається їхнє порівняння по тривалості.

Якщо тривалість імпульсу зі схеми вимірювання часу (тригера) 4 більша або менша імпульсу з ланцюга зворотного зв'язку 7, на вході блоку порівняння 5 з'являється сигнал розбалансу, що за допомогою підсилювально-перетворюючого пристрою 6 збільшує або зменшує величину вихідного сигналу. Для зниження впливу температури газового середовища в ємності, де відбувається вимірювання, на результати вимірювання передбачається температурна компенсація за допомогою блоку 8. У рівнемірі передбачений також спеціальний перешкодозахисний пристрій 9, що виключає вплив різного роду перешкод на результати вимірювань. Блок контролю 10 служить для забезпечення контролю працездатності рівнеміра в цілому та окремих вузлів його електричної схеми.

Розпоширеними серед ультразвукових рівнемірів є прилади MultiRanger 100 та Probe LU фірми “Siemens”. Обидва призначені для безконтактного вимірювання рівня рідин та сипких матеріалів на відстанях від сенсора до об’єкту до 15 м у відкритих та закритих ємностях з гарантованою надійністю в безперервному режимі работи, а також для дискретного керування насосами або траспортерами.

а) б) в)

Рис. 6.6. MultiRanger 100 з сенсорами Echomax XPS и ХСТ та Probe LU

Прилади використовуються, наприклад, для вимірювання рівня рідин: палива, відходів виробництва, кислот і т.п., а також для вимірювання рівня сипких матеріалів: дерев’яної стружки або при утворенні високих насипних конусів. За наявності електричної сумісності з хімічно стійкими сенсорами серії Echomax® прилади можуть використовуватись в особливо важких умовах роботи при температурі середовища до 145°C (293°F). MultiRanger 100 (загальний вигляд його електронного мікропроцесорного блоку приведений на рис. 6.6,а, а види випромінювачів-приймачів ультразвукових коливань (сенсорів) типу Echomax XPS и ХСТ на рис. 6.6,б) - є двохканальний, тобто, може виконувати одночасне вимірювання рівня у двох ємностях та видавати сигнал різниці рівнів. Probe LU (рис.6.6,в) – компактний пристрій, в якому об’єднані сенсор та мікропроцесорний блок опрацювання ультразвукового сигналу. У приладах, по аналогії з Sitrans P (розділ 5.3), здійснюється двопрорвідна схама живлення, яка поєднує уніфікований сигнал вимірювальної інформації із струмом живлення. Напруга живлення: постійного струму в межах від +12 В до +30 В. Загальна приведена похибка – 0,25% від кінцевого значення діапазону вимірювання.