Ёмкостные уровнемеры

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ».

Кафедра Метрологии и метрологического обеспечения ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ.

«Ёмкостные уровнемеры».

по дисциплине: Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов.

Работу выполнила.

Клюшкина Д.Д.

Санкт-Петербург 2012 г.

1. Краткая характеристика ёмкостных преобразователей.

1.1 Общие сведения Техника конструирования и применения датчиков (сенсорика) развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:

* миниатюрность (возможность встраивания).

* дешевизна (серийное производство).

* механическая прочность Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x (t) в выходной сигнал y (t): y (t) = F[x (t)], (1).

где x (t) и y (t) — векторные величины; F (x) — требуемая функция преобразования.

В реальных приборах функция преобразования зависит также от возмущения на сигнал x (t), от помехи J (t), действующей на параметры прибора q (t), от несовершенства технологий изготовления прибора h (t) и от помехи n (t), возникающих в самом приборе: y (t) = F[x, x, q (h, J), n)], (2), где x, q, h, J, n — векторы.

На рис 1 отображена зависимость функции преобразования от всех влияющих на нее величин.

Рис 1.

Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями. Часть прибора, в которой преобразуется первичный сигнал называется первичным преобразователем. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного прибора.

Рис. 2 Функциональная схема прибора На рис. 2 дана функциональная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект ИО; первичный преобразователь ПП; устройство сравнения УС; устройство обработки сигналов Обр. 1; кодирующее устройство Код; модулятор М; канал передачи КП; устройство детектирования Д; устройство декодирования ДК; устройство обработки информации Oбр. 2; преобразователь Пр, выдающий информацию на систему отображения СОИ и на обратный преобразователь ОП, с которого поступают сигналы на устройство сравнения. Эта схема является обобщенной, ряд элементов может отсутствовать в приборах.

1.2 Область применения Конструктивные схемы емкостных преобразователей зависят от области их применения: для измерения толщины, для измерения малых перемещений, в приборах уравновешивания, определения уровня. Цилиндрические или плоские конденсаторы применяются при измерении уровней жидких и сыпучих тел (Рис. 3), емкость таких конденсаторов характеризуется уровнем х и зависит от диэлектрических проницаемостей жидкости, изоляции и воздуха .

— диэлектрическая проницаемость воздуха, — диэлектрическая проницаемость среды, Sплощадь, -расстояние между электродами.

Рис. 3.

2. Уровнемеры Уровнемер — прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых ёмкостях. Уровнемеры так же называют датчиками/сигнализаторами уровня, преобразователями уровня. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня — это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. К наиболее распространённым методам измерения уровня, которые позволяют преобразовать значение уровня в электрическую величину и передавать её значение в системы АСУ ТП относятся:

С развитием измерительной техники, каждый метод приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.

2.1 Виды уровнемеров Механические.

Механические уровнемеры бывают поплавковые — с чувствительным элементом (поплавком), плавающим на поверхности жидкости и буйковые, действие которых основано на измерении выталкивающей силы, действующей на буёк. Перемещение поплавка или буйка через механические связи или систему дистанционной (электрической или пневматической) передачи сообщается измерительной системе прибора.

Уровнемер поплавковый предназначен для выдачи электрического дискретного сигнала об уровне жидкости в аппаратах и резервуарах технологических установок. В поплавковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов.

Уровнемеры буйковые — регуляторы буйковые пневматические предназначены для работы в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров производственных технологических процессов с целью выдачи информации в виде стандартного пневматического сигнала об уровне жидкости.

Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что со стороны жидкости на погруженный буек действует выталкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, то есть от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу.

Выходной сигнал первого уровнемера — унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения.

Гидростатические.

Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, то есть расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифференциальные манометры. При включении манометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню.

Гидростатические уровнемеры дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности и сложности применения. Постоянный контакт с измеряемым объектом так же накладывает свои ограничения.

Электрические.

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками; газы же, находящиеся в нежидкостном пространстве, всегда диэлектрики. Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков — относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз по сравнению с вакуумом уменьшается в данном веществе сила взаимодействия между электрическими зарядами. В зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя «реагирует» на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на такие виды: кондуктометрические, емкостные и вибрационные.

Кондуктометрические.

Действие кондуктометрических уровнемеров основано на измерении сопротивления между электродами, помещенными в измеряемую среду. Кондуктометрические уровнемеры применяются для измерения уровня проводящих жидкостей. Первичный преобразователь состоит из двух электродов, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение уровня.

Точность таких уровнемеров ограничивают — непостоянство удельных сопротивлений по длине электродов, а также образование на электродах пленки с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому неконтролируемому снижению чувствительности. Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов. Вследствие этого погрешности кондуктометрических методов измерения уровня достаточно высоки (5—10%), поэтому они находят преимущественное применение в качестве сигнализаторов уровня проводящих жидкостей.

Вибрационные.

Вибрационные сигнализаторы уровня применяются для измерения граничных значений жидкостей. Модульная конструкция приборов позволяет использовать их в емкостях, резервуарах и трубопроводах. Вибрирующий элемент приводится в действие пьезоэлектрическим методом и вибрирует с механической резонансной частотой приблизительно 1200 Гц. При погружении вибрирующего элемента в измеряемую среду частота изменяется. Это изменение частоты улавливается встроенным генератором и преобразуется в команду на переключение.

Вибрационные уровнемеры, компактны и могут работать без внешней обработки сигнала, имеют встроенный блок электроники, обрабатывающий сигнал уровня и преобразует его в соответствующий выходной сигнал.

Акустические (ультразвуковые).

В акустических, или ультразвуковых, уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости — ультразвуковым уровнемером. В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости, во втором — наоборот. Электронный блок служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал.

Микроволновые (радарные).

Радарные уровнемеры используют явление отражения электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред. Радарные датчики не имеют контакта с измеряемым объектом, поэтому их используют в сложных условия.

Принцип действия прибора заключается в следующем. Микроволновый генератор датчика уровня формирует радиосигнал, частота которого изменяется во времени по линейному закону. Этот сигнал излучается в направлении измеряемого объекта, отражается от него и возвращается обратно. Излученный и отраженный сигнал смешиваются, и образуется сигнал, частота которого равна разности частот принятого и излученного сигнала. Далее сигнал обрабатывается микропроцессорной системой и вычисляется его частота, которая пересчитывается в значение уровня. Обработка сигнала построена с применением процессоров цифровой обработки и производится в реальном масштабе времени. Отраженный сигнал содержит различные шумовые и паразитные составляющие, поэтому полученный сигнал оцифровывается и преобразуется в «спектр». Далее при помощи спектрального анализа фильтруются паразитные составляющие и с высокой точностью определяется частота, соответствующая уровню объекта.

Рефлексные (волноводные).

Рефлексные уровнемеры предназначены для измерения уровня, дистанции и объема жидкостей, паст и сыпучих продуктов, а также раздела фаз жидких продуктов. Рефлексные (волноводные) уровнемеры по принципу работы подобны радарным уровнемерам, но электромагнитный импульс распространяется не в газовой среде, а по специальному зонду — волноводу. Рефлексные уровнемеры способны работать в более жестких условиях: высокие температуры, высокое давление, сильное бурление жидкости, резервуары с работающей мешалкой, пары и газы над поверхностью жидкости.

2.2. Емкостной уровнемер Уровнемер ёмкостной основан на принципе измерения уровня жидкости в резервуаре при помощи измерения электрической ёмкости датчика. В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются различные схемы. Наиболее простыми являются мостовые схемы, примером которых может быть схема приведенная на рисунке 4.

Рис. 4. Простейшая схема электронного индикатора уровня Мост состоит из генератора Г, двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр, емкости преобразователя Спр и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости. При увеличении уровня емкость Спр растет, разбаланс моста увеличивается и напряжение на входе усилителя возрастает. С помощью усилителя этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП.

гдеполная длина преобразователя, lдлина преобразователя в жидкости, -радиусы внешних и внутренних цилиндров; -диэлектрическая проницаемость вакуума; - относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Датчик ёмкостного уровнемера представляет собой электрический конденсатор, состоящий из двух обкладок — изолированных проводников. Проводники помещены в резервуар с жидкостью, уровень которой измеряется. Сигналом изменения уровня жидкости в резервуаре является изменение электрической ёмкости датчика, измеряющего уровень жидкости.

Физический принцип измерения уровня жидкости в резервуаре, обусловлен изменением относительной диэлектрической проницаемости пространства между обкладками конденсатора в результате изменения уровня жидкости. Емкостные уровнемеры в общем случае могут быть использованы для измерения высоты плоскости раздела двух веществ, отличающихся по своим электрическим свойствам. Для определения высоты плоскости П (уровня) раздела верхнего В и нижнего Н веществ (рис. 5). В резервуар помещается емкостный датчик, представляющий собой два вертикальных электрода Э.

Рис. 5.

Уровень раздела веществ обычно отсчитывается от нижнего конца емкостного датчика. Максимальное значение измеряемого уровня h не может превышать длины емкостного датчика ?, т. е. hмаксим = ?. Отсчет уровня может производиться в единицах длины, однако более удобным и практически общепринятым является отсчет уровня в относительных единицах или в процентах от максимального значения.

Если вещества В и Н имеют диэлектрические проницаемости? в и? н и удельные активные проводимости? в и? н, и выполняется хотя бы одно из неравенств в? н или? в? ?н, то комплексная проводимость датчика, измеренная на переменном токе, будет зависеть от уровня h. Однако проводимость датчика является функцией и других параметров, изменяющихся в процессе работы емкостного уровнемера. Наиболее существенным является влияние изменения величин? и? контролируемых веществ и влияние нестабильной паразитной емкости кабеля, соединяющего датчик с измерительной схемой прибора. Влияние этих двух факторов в простейших уровнемерах приводит к очень большим погрешностям. Можно показать, что, например, при изменении диэлектрической проницаемости? н нижнего вещества на относительную величину вн в простейших уровнемерах возникает погрешность измерения, равная, т. е. погрешность от нестабильности н превышает величину этой нестабильности.

При наличии паразитной емкости Сп, шунтирующей датчик, основные составляющие погрешности простейшего уровнемера возрастают примерно в Сп/Ср раз, где Ср — рабочая емкость датчика. Нестабильность паразитной емкости кабеля вызывает погрешности, величина которых тем больше, чем выше отношение Сп/Ср.

С учетом сказанного погрешность простейших емкостных уровнемеров в реальных условиях может составлять десятки процентов.

преобразователь конструктивный схема емкостный.

2.3 Расчёт погрешности ёмкостных уровнемеров Погрешности емкостных уровнемеров зависят от весьма большого числа факторов, среди которых в первую очередь следует отметить нестабильность параметров датчиков и измерительной схемы, влияние паразитных связей, несовершенство ферромагнитных сердечников и их обмоток, изменение свойств среды и параметров датчиков по высоте резервуара.

Наиболее распространенной характеристикой точности емкостных уровнемеров является приведенная погрешность. Найдем предельное значение приведенной погрешности.

где Нн и Нi — производные от условия равновесия по уровню h и параметру i;

?i — абсолютное изменение параметров? i;

i — диэлектрическая проницаемость вещества.

U0 — абсолютная погрешность приведения к нулю выходного напряжения измерительной схемы;

Shп — приведенная удельная чувствительность измерительной схемы по уровню h.

2.4 Технические характеристики ИСУ100И Уровнемер ИСУ100И Уровнемер ИСУ100И в комплекте с датчиком уровня предназначен для непрерывного измерения уровня различных жидких и сыпучих сред, а так же контроля двух заданных предельных уровней в резервуарах, танках, силосах и т. п. стационарных установках, в том числе в емкостях, находящихся под избыточным давлением.

Принцип действия уровнемера ИСУ100И основан на преобразовании программируемым микроконтроллером длительности частотного токового сигнала, поступающего от датчика уровня, в пропорциональный сигнал постоянного тока на выходе. Длительность входного сигнала зависит от электрической емкости чувствительного элемента датчика уровня, которая, в свою очередь, определяется глубиной его погружения в контролируемую среду, т. е. положением ее уровня.

Основные функции:

?Преобразование входного сигнала датчика уровня в выходные сигналы: непрерывные токовые и дискретный (контакты реле).

?Отображение результатов измерений на цифровом индикаторе в относительных единицах измерения.

?Формирование выходного релейного сигнала и световой сигнализации для каждой из двух независимых предельных установок уровня или объема, задаваемых пользователем.

Технические данные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы ознакомились с общей характеристикой ёмкостных уровнемеров, их видами, а также с конкретным прибором — уровнемером ИСУ100И, особенностью которого является возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

Изучили технические данные и принцип работы данного устройства.

В промышленном производстве в настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах.

Список используемой литературы.

1. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры, М.—Л., изд-во «Энергия», 196G, 136 с. с черт (Библиотека по автоматике, вып. 195).

.ur.