Электрические средства измерений уровня

По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

Емкостные уровнемеры. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. В номенклатуру средств измерений уровня ГСП входят емкостные уровнемеры с коаксиально расположенными электродами. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами жидкости. Для неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей — жидкостей, имеющих удельную электропроводность менее 10^-6 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схемы которого представлены на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Схемы электрических средств измерений уровня

Чувствительный элемент (рис. 12.7, а) состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, а пространство — парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением

, (12.14)

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; ε₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума; Н — высота электродов; D, d — диаметры соответственно наружного и внутреннего электродов.

Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное пространство которого заполняется веществами, обладающими различными диэлектрическими проницаемостями, как показано на рис. 12.7, а, полная емкость С _п определяется выражением:

, (12.15)

где С ₀ — емкость проходного изолятора; С ₁— емкость межэлектродного пространства, заполненного жидкостью; С ₂ — емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью. С учетом уравнения (12.14) полную емкость чувствительного элемента представим в виде

. (12.16)

Так как для паров жидкости и газов , а С ₀ — величина постоянная, уравнение (8.16) можно преобразовать следующим образом:

. (12.17)

Уравнение (12.17) представляет собой статическую характеристику емкостного чувствительного элемента для неэлектропроводных сред. Величина ε_ж является функцией температуры, поэтому для исключения влияния температуры жидкости на результат измерения применяют компенсационный конденсатор (рис. 12.7, в). Компенсационный конденсатор 1 размещается ниже ёмкостного чувствительного элемента 2 и полностью погружен в жидкость. В некоторых случаях при постоянстве состава жидкости его заменяют конденсатором постоянной емкости.

Для измерения уровня электропроводных жидкостей — жидкостей с удельной проводимостью более 10^-4См/м применяют уровнемеры, оснащенные емкостным чувствительным элементом, изображенным на рис. 8.7, б. Чувствительный элемент представляет собой металлический электрод 1, покрытый фторопластовой изоляцией 2. Электрод частично погружен в жидкость. В качестве второго электрода используется либо стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Полная емкость чувствительного элемента, изображенного на рис. 12.7, в, определяется уравнением:

, (12.18)

где С ₀ — емкость проходного изолятора; C ₁ — емкость конденсатора, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости на границе с изолятором; С ₂ — емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с изолятором и стенками резервуара.

Преобразование электрической емкости чувствительных элементов в сигнал измерительной информации осуществляется мостовым, резонансным или импульсным методом.

В емкостных уровнемерах, входящих в номенклатуру ГСП, преобразование емкости осуществляется импульсным методом, в реализации которого используются переходные процессы, протекающие в чувствительном элементе, периодически подключаемом к источнику постоянного напряжения.

Емкостные уровнемеры выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,5. Их минимальный диапазон измерений составляет 0—0,4 м, максимальный 0—20 м; давление рабочей среды 2,5—10 МПа; температура от —60 до +100°С или от 100 до 250° С. На базе рассмотренных емкостных чувствительных элементов разработаны взрывобезопасные сигнализаторы уровня раздела жидкостей «нефтепродукт — вода» и других жидкостей с различными значениями относительной диэлектрической проницаемости. При длине погруженной части чувствительного элемента 0,25 м погрешность срабатывания сигнализатора ±10 мм.

Разработаны емкостные уровнемеры сыпучих сред. Верхние пределы измерений уровнемеров ограничены значениями 4—20 м. Класс точности 2,5.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня. Уровнемеры этого вида предназначены для сигнализации уровня электропроводящих жидких сред и сыпучих сред с удельной проводимостью более 10^-3 См/м. На рис. 12.7, г приведена схема сигнализатора верхнего предельного уровня жидкости. В соответствии со схемой при достижении уровнем значения h замыкается электрическая цепь между электродом 1 и корпусом технологического аппарата. При этом срабатывает реле 2, контакты которого включены в схему сигнализации.

Принцип действия кондуктометрических сигнализаторов уровня сыпучих сред аналогичен рассмотренному.

Электроды, применяемые в кондуктометрических сигнализаторах уровня, изготавливают из стали специальных марок или угля. Причем угольные электроды используются только при измерении уровня жидких сред.