Емкостный метод измерения уровня

Также для измерения уровня жидкости могут быть использованы электрические свойства жидкости и парогазовой смеси над ней, такие как диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ. Относительно электропроводности жидкости и газы подразделяются на диэлектрики и проводники. Электрические свойства диэлектрика характеризуются относительной диэлектрической проницаемостью, которая показывает во сколько раз, по сравнению с вакуумом, уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами. Диэлектрическая проницаемость зависит от вида поляризации, присущего веществу, которая определяется его атомно-молекулярным строением. Поляризация бывает электронной, ионной и дипольно-релаксационной. Диэлектрики обладают определенной электропроводностью, то есть при приложении к диэлектрику электрического напряжения через него протекает ток.

Датчик емкостного уровнемера (рис.2) [7] в общем случае можно представить в виде коаксиального цилиндрического конденсатора, у которого центральная обкладка покрыта изоляцией. Датчик представляет собой металлический зонд, расположенный по оси металлической трубы, которая является наружной обкладкой датчика. Зазор между внешней поверхностью изоляции зонда и наружной обкладкой является рабочим зазором, сообщающимся через отверстия в нижней центровочной втулке и в наружной трубе с сосудом, в котором замеряется уровень. При составлении эквивалентной электрической схемы считалось, что утечка через изоляцию и заполненный парогазовой смесью зазор отсутствуют, а жидкость обладает как конечным удельным электрическим сопротивлением, так и диэлектрической проницаемостью.

В основу функционирования измерительной части прибора может быть положен любой метод измерения электрической емкости, но в основном применяют четыре метода: импульсный, частотный, фазоёмкостный и мостовой.

Процесс преобразования датчиком емкостного уровнемера уровня жидкости в электрическую емкость можно представить в виде совокупности двух операций. Первой операцией является преобразование уровня жидкости в сосуде в уровень жидкости в рабочем зазоре датчика. Вторая операция представляет собой преобразование уровня жидкости в зазоре в электрическую емкость.

Высокая чувствительность датчиков к изменению уровня жидкости может быть обеспечена лишь при малых размерах рабочего зазора. Существуют конструкции датчиков, в которых зазор составляет всего лишь десятые доли миллиметра.

Рис. 2. Датчик емкостного уровнемера:

• 1 — металлический зонд;
• 2 — изоляция;
• 3 — металлическая труба;
• 4 — рабочий зазор

Так в ракета-носителе «Энергия» [9], предназначенной для выведения орбитального коробля-ракетоплана советской МТКС «Буран», измерение уровня топлива проводилось для следующих целей:

• — заправка баков окислителя и горючего 4-х блоков А, водородного блока Ц ракеты-носителя «Энергия» и орбитального корабля «Буран» ;
• — управление расходования топлива посредством работы блоков, А в количестве четырех штук и блока Ц;
• — определения окончания компонентов топлива (Блок Ц);
• — сбор данных для послеполетного анализа (Блок Ц).

Система контроля заправки (СКЗ) ракеты-носителя «Энергия» представляла собой единую систему. В баках всех ступеней были установлены емкостные датчики уровня двух типов: непрерывные и дискретные. Непрерывные датчики с электрической емкостью 500−600 пФ обеспечивали измерение уровня в ограниченном переделами диапазоне, находящемся в верхней части баков. Дискретные датчики содержали набор чувствительных элементов, распределенных по всей высоте баков, и давали информацию о достижении зеркалом жидкости определенного фиксированного уровня. Для определения текущего значения высоты уровня компонента топлива в баках ракеты в дополнение к информации от дискретных датчиков уровня в автоматизированную систему управления подготовкой и пуском использовалась информация от датчиков давления в дренажных и заправочных магистралях: промежуточное количество топлива между фиксированными точками определялось по разности показаний указанных датчиков. И непрерывные, и дискретные датчики уровня были дублированы, имея в своем составе основной и дублирующий каналы. Каждому каналу каждого датчика в системе контроля заправки был выделен отдельный канал измерения. Точность заправки топливных отсеков второй ступени составила +0,6% по баку окислителя и +0,7% по баку горючего. Все датчики контроля уровня заправки, как и СКЗ в целом, были разработаны РКК «Энергия». Детальное описание СКЗ приведено в работе [8].