Как измеряют электрическую емкость в уровнемерах

Емкостные датчики уровня — устройство, принцип работы, применение

Датчики уровня емкостного типа используются в первую очередь как средства контроля уровня различных жидкостей. Процесс контроля базируется на том, что любая жидкость обладает определенной диэлектрической проницаемостью. Поэтому и принцип работы емкостного датчика уровня заключается в следующем.

Главным элементом емкостного датчика уровня является специальный высокочувствительный конденсатор, способный изменять свою емкость в зависимости от того, в какую среду он помещен. Чувствительность конденсатора позволяет датчику одинаково эффективно работать как с диэлектрическими жидкостями, так и с жидкостями, обладающими минимальной диэлектрической проницаемостью.

Датчик просто устанавливают в резервуаре, предназначенном для жидкого материала, уровень которого в данном резервуаре (например в трубе) нужно контролировать. За базовую диэлектрическую проницаемость здесь принимается текущая диэлектрическая проницаемость воздуха. И как только жидкость соприкоснется с чувствительным элементом датчика, емкость чувствительного конденсатора изменится. В этот момент датчик сработает — будет зафиксирован контрольный уровень жидкости.

Между прочим, датчики уровня емкостного типа способны реагировать на жидкость и вовсе без прямого контакта чувствительного элемента с ней. Ведь фиксация изменения диэлектрической проницаемости может осуществляться и через диэлектрический материал корпуса резервуара, внутри которого варьируется уровень жидкости. Контроль может производиться например через крышку, стенку или дно резервуара, стоит жидкости достичь точки, где установлен чувствительный элемент датчика.

Емкостные уровнемеры с коаксиальными электродами используются для измерения уровня неэлектропроводных сред. Недостатком коаксиального чувствительного элемента является плохое заполнение его контролируемым веществом, особенно при повышенной вязкости среды и наличии твердых примесей.

Датчики выпускаются в различных исполнениях: по форме, размеру, конструкции чувствительного элемента, а также по конструкции и размеру корпуса и типу установки датчика (встраиваемые в стенку или крышку, размещаемые рядом с емкостью, размещаемые на подвесе внутри емкости).

В случае использования в качестве чувствительного элемента одинарного электрода роль второго электрода конденсатора выполняет заземленная стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный заземленный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Одинарные электроды могут представлять из себя жесткие стержни или гибкие тросы.

Для измерения уровня электропроводных сред измерительный электрод покрывают изоляционным слоем. В качестве изоляции, как правило, используется фторопласт.

Емкостные датчики уровня жидкости находят применение в самых разных современных областях промышленности, ведь они совместимы практически с любыми жидкостями. Это и сельское хозяйство с его жидкими удобрениями и системами полива. Это и пищевая отрасль (молоко, вода, напитки).

В нефтехимической промышленности необходимо контролировать уровень нефтепродуктов. В фармацевтике — жидкие препараты. Во многих отраслях крайне важен контроль уровня воды, в том числе и подземных вод, а также вод в системах хранения, водоснабжения, водоотведения и канализации на предприятиях и просто в зданиях.

Датчик способен, таким образом, измерять уровень жидкого продукта, и при необходимости, взаимодействуя с автоматикой, поддерживать требуемое значение. Он может контролировать наполнение емкости жидкостью и процесс прохождение жидкости по трубопроводу, а также отслеживать расход. Таким образом, емкостной датчик уровня жидкости — незаменимое решение для систем автоматизации на разного рода предприятиях.

Ряд преимуществ выделяет емкостные датчики среди средств контроля уровня других типов. Емкостные датчики совместимы даже с химически агрессивными и пожароопасными веществами.

Они могут работать с продуктами практически любых физических свойств, с резервуарами любых объемов, форм и размеров (в силу возможности бесконтактного взаимодействия). Помещение может быть задымленным, запыленным, в нем может иметь место повышенная влажность воздуха, что не помещает работе датчика.

Датчик просто устанавливается на свое место, при этом он очень прост в обслуживании. В результате срок эксплуатации датчика может измеряться годами, а точность и надежность при правильном использовании останутся неизменными.

Конечно, есть у емкостных датчиков и недостатки. Они, например, чувствительны к образованию пены, к налипанию материала или осадков, что может вызвать ложные срабатывания. Поэтому регулярное обслуживание таким датчикам необходимо. Конечно стоят они дороже датчиков других видов.

В любом случае, перед установкой датчик необходимо точно отрегулировать, а в процессе эксплуатации нужно следить за его состоянием. Тогда и надежность и точность контроля останутся на высоте.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ёмкостные уровнемеры для жидкости

Это уровнемеры, проводящие измерения электрической емкости конденсаторного преобразователя (образуется пластинами или стержнями, что вводится в жидкость), и преобразующие эти измерения в уровень жидкости.

Существуют разные конструкции емкостных уровнемеров, позволяющие измерять емкость электропроводных и неэлектропроводных жидкостей (к электропроводным относятся те, у которых удельное сопротивление меньше 106 Ом*м). В случае работы с электропроводными жидкостями один из пластинчатых или стержневых электродов изолируется, а для неэлектропроводных оба остаются без изоляции.

Принцип действия емкостного уровнемера

В конструкцию емкостного уровнемера входит два основных элемента. Это емкостной датчик в виде стержня или кабеля цилиндрической либо плоской формы и вторичный преобразователь. Основу прибора составляет чувствительный электрический конденсатор, четко фиксирующий все изменения в диэлектрической проницаемости среды. При соприкосновении с жидкостью определяется емкость конденсатора, связанная с нею величина уровня жидкости в емкости, а затем полученные значения преобразуются в выходной сигнал, который и передается на внешнее оборудование для контроля.

Весь принцип действия таких уровнемеров основан на том, что у жидкостей и газового пространства над ними разные электрические свойства. Чувствительные элементы, погруженные в жидкость, определяют емкость, а вторые обкладки, остающиеся «снаружи», так же делают замеры, и на основании этих сведений делаются выводы о высоте жидкостного столба.

Что касается системы электродов, то она может различаться в зависимости от модели. В большинстве случаев – это металлические плоские пластины либо полые цилиндры.

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:

• Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
• Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
• Системы водоснабжения и водоотведения;
• Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
• ЖКХ и сельское хозяйство;
• Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
• Фармацевтические компании.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.

Преимущества емкостных уровнемеров для жидких веществ

Емкостные датчики уровня для жидких веществ отличаются от других типов измерителей уровня такими достоинствами:

• Могут проводить замеры в емкостях с разными типами жидкостей, отличающихся не только по составу, но и по физическим свойствам (по температуре, плотности, степени электропроводности);
• Обеспечивают быстрый отклик, отличаются высокой чувствительностью к изменениям;
• Допускаются для работы с агрессивными, опасными жидкостями;
• Могут работать даже в вакууме, то есть широкий диапазон давления жидкости в емкости не будет препятствием для проведения измерений;
• В конструкции нет подвижных элементов, что обеспечивает надежность, безопасность и долговечность эксплуатации.

Однако поправку чувствительности придется производить под каждый новый вид продукта. Кроме того, для работы с вязкими, кристаллизующимися и взрывоопасными жидкостями такие устройства не подходят (они чувствительны к налипаниям на зонд).

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость преобразователя, которая зависит от уровня, рассчитывают по формуле

• С1 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности электрода и электропроводной жидкости;
• С2 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности жидкости (размещается там же, где и обкладка С1) и на поверхности емкости (резервуара или бака);
• Си – емкость проходного изолятора.

Всегда учитывают, что при увеличении высоты жидкости С1 и С2 растут, поскольку увеличивается площадь обкладки.

Схема подключения ёмкостного уровнемера

Емкостной датчик уровня для топливных или стационарных топливных баков может подключаться по цифровой или аналоговой схеме с использованием изолированной CAN-шины и контроллера. Также используется двухпроводная схема подключения, позволяющая непрерывно контролировать уровень жидкости. Кроме того, отдельные модели можно монтировать с использованием трубной насадки или с кабельным пробником.

Поскольку емкостные уровнемеры измеряют емкость конденсатора, а изолятором-диэлектриком служит продукт измерения, то для точного проведения работ приборы можно устанавливать только в емкости с металлическими стенками, причем та из стенок, куда будет выполняться крепление должна быть расположена строго параллельно зонду.

После подключения выполняют контрольный запуск, проводят калибровку на абсолютно пустой и полностью заполненной емкости.

В компании «Измеркон» предлагают емкостные датчики контроля уровня топлива с полным описанием и инструкцией по подключению (представлены схемы в зависимости от интерфейса).

Емкостные датчики и принципы их работы

Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

• Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
• Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
• d — зазор между обкладками;
• S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Какие бывают датчики

Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:

Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:

Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:

• измерителей уровня;
• приборов контроля углового перемещения;
• датчиков перемещения;
• инклинометров;
• датчиков давления.

Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.

Одноемкостные датчики

Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.

Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.

Двухемкостные датчики

Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.

Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.

Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.

Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).

Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.

Датчики линейного перемещения

Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:

• контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
• позиционирования различных объектов;
• фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
• как концевой выключатель.

Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.

Датчики углового перемещения

По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.

Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.

Инклинометр

Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.

Датчик давления

В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.

Емкостные датчики прикосновения

Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:

• на использовании собственной емкости;
• на использовании взаимной емкости.

Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.

Датчик на основе собственной емкости

Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.

Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.

Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.

Как изменить состояние кнопки

Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:

• из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
• из-за собственной проводимости

Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью

Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.

Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.

Тело обладает собственной проводимостью

Это давно установленный факт.

И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.

Использование емкостных датчиков прикосновения

Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная электроника его обработает без каких либо проблем.

Датчики присутствия

Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.

Как это работает

Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.

На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.

При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.

Еще один способ обнаружения присутствия

В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.

В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.

При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.

При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.

Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.

Возможные сферы применения датчиков

Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:

• нефтегазовая промышленность;
• добыча и переработка металлов;
• горнодобывающая промышленность;
• сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
• деревообрабатывающая промышленность;
• производство напитков и продуктов питания;
• станкостроение и роботизированные комплексы;
• целлюлозно-бумажная промышленность;
• химическая промышленность и другие.

Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:

• указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
• сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
• подсчет количества штучных изделий;
• контроль натяжения ленты;
• использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.

Преимущества емкостных датчиков

Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:

• малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
• отсутствие контактов;
• длительный срок эксплуатации;
• возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
• незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
• простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;

Недостатки датчиков

Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:

• ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
• необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
• экранирование измерительных и высокочастотных цепей;

Где купить

Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».

Переходите по ссылкам и выбирайте:

Заключение

Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.

Видео по теме

Многие системы автоматизации требуют измерения уровня. И есть множество промышленных отраслей, где измерение уровня необходимо. На сегодняшний день существует множество датчиков уровня, позволяющих измерять многие физические величины, связанные с количеством в резервуаре того или иного материала.

Самые первые датчики уровня работали только с жидкостями, но теперь, благодаря прогрессу, есть датчики и для сыпучих материалов. Уровнемеры и сигнализаторы уровня позволяют непрерывно отслеживать уровень и контролировать достижение материалом заданного уровня. В данной статье мы подробно остановимся на видах современных уровнемеров.

Сегодня возможна работа датчиков уровня как с жидкостями, так и с сыпучими материалами и даже с газами, причем материал может находиться как в емкости, так и в трубопроводе. Датчики подразделяются на контактные и бесконтактные, и по способу монтажа могут быть предназначены для установки либо в корпус трубопровода или емкости с измеряемым материалом, либо над измеряемым материалом.

Первые датчики уровня работали по простому принципу поплавка и использовали метод замыкания контактов материалом. Теперь же датчики претерпели усовершенствования, они содержат в своей конструкции схемы, обеспечивающие выполнение ряда дополнительных функций, таких как измерение объема, скорости расхода, сигнализация о достижении предельной границы и т. д. Результаты измерений могут обрабатываться и храниться.

Работает ли отрасль с жидким, вязким, газообразным, сыпучим, липким, пастообразным материалом, всегда можно подобрать подходящий датчик уровня для работы в условиях соответствующей среды. Вода, раствор, щелочь, кислота, масло, нефть, гсм, гранулы пластика — спектр применения весьма широк, и датчики на различных физических принципах позволяют выбрать подходящий для конкретных условий и практически для любой задачи.

Оборудование датчика включает в себя две части: сам датчик и средство визуализации данных. Контактные и бесконтактные датчики, постоянное изменение и отслеживание границы — выбор возможностей датчиков сегодня достаточно богат.

Вид выбираемого датчика определяется особенностями промышленного процесса и средой, в которой датчик будет работать. Благодаря средствам визуализации, в процессе измерений могут составляться графики для анализа информации об уровне продукта, что немало облегчает автоматизацию.

Для осуществления непрерывного мониторинга уровня сыпучих материалов или жидкостей в естественных и искусственных резервуарах служат уровнемеры. Они с дискретностью от единиц миллисекунд до десятков секунд проводят замеры уровня.

Применяются для отслеживания уровня водных растворов, кислот, щелочей, спиртов и т. д., а также для сыпучих материалов. Бывают контактными и бесконтактными, а по физическим принципам совершенно разнообразны. Рассмотрим каждый тип более подробно.

Микроволновые радарные уровнемеры

Применяются для непрерывного отслеживания уровня, являются универсальными. Используют в работе явление отражения электромагнитной волны от границы раздела двух сред. Частота волн от 6 до 95 ГГц, и она тем выше, чем меньше диэлектрическая проницаемость измеряемого материала, например для нефтепродуктов частота волн должна быть максимальной. Но диэлектрическая проницаемость не должна быть выше 1,6.

Поскольку датчик работает как радиолокатор, помехи ему не страшны, а высокая частота волн сводит к минимуму паразитное влияние давления и температуры в емкости. Радарным датчикам с такими высокими рабочими частотами не страшны ни пыль, ни испарение, ни пена.

В зависимости от типа и размера антенны датчика, точность прибора может быть разной. Чем больше и шире антенна, тем мощнее и точнее будет сигнал, выше дальность, лучше разрешение. Точность микроволновых радарных датчиков в пределах 1 мм, они могут работать при температурах до +250 ?С, и измерять уровень до 50 м.

Радарные уровнемеры находят применение на многих производствах, где ведутся работы с сыпучими материалами: в строительстве, деревообработке, в химической промышленности, в пищевой промышленности, на производстве пластика, стекла и керамики. Применимы они и для измерения уровня жидкостей.

Используют акустические волны, которые при отражении от отслеживаемого вещества принимаются и обрабатываются. Программное обеспечение фильтрует полезный сигнал, распознавая паразитное эхо.

Сигнал подается мощным импульсом, поэтому потери и затухание минимальны. В зависимости от температуры сигнал компенсируется, и точность остается высокой, в пределах четверти процента. Датчик устанавливается вертикально либо под углом. Уровень изменения может достигать 60 метров. Рабочая температура до +150 ?С. Взрывозащищен.

Акустические уровнемеры служат на многих производствах, начиная от систем автоматизации для загрузочных кранов и систем контроля уровня сточных вод в септиках, заканчивая производством шоколада.

Отраженные от границы раздела двух сред, ультразвуковые колебания принимаются и замеряется промежуток времени между моментом отправки сигнала и его приемом. Дискретность составляет единицы секунд, это связано с конечной скоростью звука в воздухе. Предельный уровень измерения достигает 25 метров.

Программное обеспечение позволяет предварительно настроить датчик на отключение в период, когда под ним проходит какой-нибудь механизм, например лопасть мешалки. Возможно управление датчиком с компьютера. Устанавливается вертикально над материалом или под углом. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +90 ?С. Взрывозащищен.

Ультразвуковые уровнемеры применяются для контроля уровня сыпучих материалов во многих сферах, начиная с цементных заводов, заканчивая химической и пищевой промышленностью.

Измеряют давление жидкости на дно емкости. Деформация чувствительного элемента преобразуется в электрический сигнал. Необходима связь с атмосферой, поскольку производится замер дифференциального давления. Подходит для работы с водой и другими не агрессивными жидкостями, для паст и т. д. Может работать как в открытых, так и в закрытых помещениях, в бассейнах, скважинах и т. д.

Величина давления зависит от плотности жидкости и от ее объема в резервуаре, от высоты столба жидкости. Уровнемер может быть погружного или врезного типа, – либо для контакта с атмосферой выводится каппилярная трубка, либо преобразователь врезается непосредственно в дно резервуара.

При монтаже необходимо исключить ложную фиксацию давления струи жидкости при ее закачеке в резервуар. Точность в пределах четверти процента. Рабочая температура до +125 ?С.

Гидростатические уровнемеры находят широкое применение в химической промышленности в цистернах, в сфере ЖКХ в колодцах, в пищевой промышленности ими оснащаются емкости с жидкими продуктами, в металлургии, в фармацевтике, в нефтяной промышленности и т.д.

Зонд датчика и проводящая стенка резервуара образуют собой обкладки конденсатора. Вместо проводящей стенки может использоваться специальная трубка, которая надевается на зонд датчика или второй отдельный заземленный зонд. В качестве диэлектрика конденсатора служит вещество между обкладками — воздух или материал, уровень которого отслеживается.

Очевидно, при наполнении резервуара электроемкость конденсатора станет постепенно меняться. При пустом резервуаре электроемкость будет иметь конкретное значение, а в процессе вытеснения воздуха она изменится. Увеличение продукта в резервуаре меняет электроемкость конденсатора, образованного датчиком и резервуаром.

Электроника датчика преобразует изменение емкости в изменение уровня. Если форма резервуара необычная, то используют второй зонд, ибо обкладки образованного конденсатора должны быть расположены вертикально. Максимальный уровень достигает 30 метров. Точность не менее трети процента. Рабочая температура до +800 ?С, в зависимости от модели. Время задержки регулируется.

Емкостные датчики уровня в основном применяются для контроля уровня жидкостей в очень многих сферах, где необходимо поддерживать заданный уровень продукта: в производстве напитков, бытовой химии, на предприятиях добывающих воду, с сельском хозяйстве и т.д.

На направляющей расположен поплавок с постоянным магнитом. Внутри направляющей установлены магниточувствительные выключатели. Последовательное срабатывание выключателей при заполнении или опустошении резервуара приводит к изменению тока дискретными порциями.

Принцип настолько прост, что данные уровнемеры не требуют регулировки и поэтому недороги и популярны. Ограничения вносит лишь плотность жидкости. Рабочая температура до +120 ?С. Предел изменения 6 метров.

Магнитный уровнемер является экономичным решением для измерения уровня жидкостей во многих отраслях.

Микроволновые рефлексные уровнемеры

В отличие от радарных уровнемеров, здесь волна распространяется не по открытому воздуху, а вдоль зонда прибора, которым может быть трос или стержень. Волновой импульс испытывает отражение от границы раздела двух сред с различной диэлектрической проницаемостью, и приходит обратно, а время между моментом передачи и моментом приема фиксируется электроникой, и преобразуется в значение уровня.

Применение волновода позволяет избежать паразитного действия пыли, пены, бурления, а также влияния температуры окружающей среды. Диэлектрическая проницаемость измеряемой среды не должна быть ниже 1,3е.

Рефлексные уровнемеры могут служить там, где радарные не смогут работать из-за диаграммы направленности, например в узких высоких резервуарах. Предел измерения 30 метров. Рабочая температура до +200 ?С. Точность в пределах 5 мм.

Рефлексные микроволновые уровнемеры могут использоваться для непрерывного контроля уровня не проводящих и проводящих жидкостей и твердых веществ, и для измерения их массы и объема. Применим во многих отраслях.

Сбоку в емкости располагается измерительная колонка. Жидкость заполняет трубку, ее уровень измеряется. Принцип сообщающихся сосудов. На поверхности жидкости в трубке плавает магнит, а вблизи трубки — магнитострикционный датчик, который преобразует расстояние до магнита в сигнал тока.

На трубке имеются индикаторные пластины разного цвета, которые под действием магнитного поля магнита меняют свое положение. Благодаря тому, что контакт жидкости со внешней средой отсутствует, байпасные уровнемеры применимы в пищевой и фармацевтической промышленности. Предел уровня измерений до 3,5 метров. Точность в пределах 0,5 мм. Рабочая температура до +250 ?С.

Байпасные уровнемеры применимы там, где требуется визуальный контроль за уровнем жидкостей: в теплоэнергетике, в химической промышленности, в сфере ЖКХ, в электроэнергетике, в пищевой и нефтегазовой отраслях.

В гибкой или жесткой направляющей находится поплавок с интегрированным магнитом. По направляющей расположен волновод, вокруг которого токовыми импульсами через катушку возбуждается радиальное магнитное поле. Когда это магнитное поле сталкивается с магнитным полем постоянного магнита поплавка, магнитострикционный волновод испытывает высокодинамичную пластическую деформацию.

Ультразвуковая волна, возникающая в результате этой деформации, распространяется вдоль волновода, и фиксируется электронным преобразователем на одном из его концов. Сопоставление по времени момента стартового импульса и времени возникновения импульса деформации определяет местоположение поплавка. Предел уровня измерений достигает 15 метров. Точность в пределах 1 мм. Рабочая температура до +200 ?С.

Магнитострикционные уровнемеры находят применение в химической промышленности при контроле уровня пенящихся жидкостей, в пищевой промышленности и в металлургии для контроля уровня жидких пищевых продуктов и топлива.

На тросе или ленте, намотанной на барабан, закреплен груз. При установке датчика на крышке резервуара, появляется возможность спустить груз вниз емкости. Электродвигатель вращает барабан, и груз спускается на тросе вниз. Когда груз касается поверхности замеряемого материала, натяжение троса ослабевает, и это является сигналом об уровне материала. Трос снова наматывается на барабан, поднимая груз обратно вверх.

Электроника считает уровень исходя из количества оборотов барабана. Для обнаружения веществ с плотностью от 20 кг на м3 такой датчик подойдет. Предел уровня измерения до 40 метров. Точность от 1 до 10 см в зависимости от модификации. Интервал измерений задается пользователем и может быть от 6 минут до 100 часов. Рабочая температура до +250 ?С.

Лотовые уровнемеры применяются на различных производствах для контроля уровня сыпучих материалов в автоматизированных системах.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

В электротехнике часто встречается понятие ёмкости. При этом речь идёт не о ведре или другом сосуде, а об электрической ёмкости проводника, аккумулятора и конденсатора. Путать эти понятия нельзя. В этой статье мы разберемся, что такое электрическая ёмкость, от чего она зависит и в каких единицах измеряется.

Определение

Для проводников электрической ёмкостью называется величина, которая характеризует способность тела накапливать электрический заряд. Это и есть её физический смысл. Обозначается латинской буквой C. Она равна отношению заряда к потенциалу, если это записать в виде формулы, то получается следующее:

Электроемкость любого предмета зависит от его формы и геометрических размеров. Если рассмотреть проводник в форме шара, в качестве примера, то формула для расчета её величины будет иметь вид:

Эта формула справедлива для уединенного проводника. Если расположить рядом два проводника и разделить их диэлектриком, тогда получится конденсатор. Об этом немного позже, сейчас давайте разберемся, в чем измеряется электроемкость.

Единица измерения электрической ёмкости — фарад. Если разложить её на составляющие согласно формуле то:

1 фарад =1 Кл/1 В

Исторически сложилось так, что размерность этой единицы выбрана не совсем верно. Дело в том, что на практике приходится работать с величинами электроемкости: мили-, микро-, нано- и пикофарад. Что равняется долям фарада, а именно:

1 мФ = 10^(-3) Ф

1 мкФ = 10^(-6) Ф

1 нФ = 10^(-9) Ф

1 пФ = 10^(-12) Ф

Конденсаторы

Конденсатор — это две пластины из проводящего материала, расположенные друг напротив друга, между которым находится слой диэлектрика. В заряженном состоянии обкладки имеют разные потенциалы: одна из них будет положительной, а вторая отрицательной. Электроемкость конденсатора зависит от величины заряда на его обкладках и разности потенциалов, напряжения между ними. Между пластинами возникает электростатическое поле, которое удерживает заряды на обкладках. Формула электрической емкости конденсатора в общем случае:

Если сказать простыми словами, то емкость конденсатора зависит от площади пластин и расстояния между ними, а также относительной диэлектрической проницаемости материала, расположенного между ними. Их различают по используемому диэлектрику:

• керамические;
• плёночные;
• слюдяные;
• металлобумажные;
• электролитические;
• танталовые и пр.

По форме обкладок:

• плоские;
• цилиндрические;
• сферические и пр.

Так как формула площади фигуры зависит от её формы, то и формула ёмкости будет разной для каждого случая.

Для плоского конденсатора:

Для двух концентрических сфер с общим центром:

Для цилиндрического конденсатора:

Как и у других элементов электрической цепи и в этом случае есть два основных способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

От этого зависит итоговая электрическая емкость полученной цепи. Расчёты ёмкости нескольких конденсаторов напоминают расчёты сопротивления резисторов в разном включении, только формулы для способов соединения расположены наоборот, то есть:

Cобщ=(1/С1)+ (1/С2)+ (1/С3)

Важно! В параллельной схеме соединения напряжения на обкладках каждого элемента одинаковы. Это используют для получения больших значений электроемкости. В последовательном включении двух элементов напряжения на обкладках каждого из конденсаторов составляют по половине общего напряжения. Для трёх – трети и так далее.

Аккумуляторы и электроемкость

Основными характеристиками аккумуляторных батарей является:

• Номинальное напряжение.
• Емкость.
• Максимальный ток разряда.

В данном случае для определения количественной характеристики времени работы или, говоря простым языком, чтобы рассчитать, на какое время работы прибора хватит аккумулятора, используют величину ёмкости.

В аккумуляторных батареях для описания электрической ёмкости используют следующие размерности:

• А*ч — ампер-часы для больших аккумуляторов, например автомобильных.
• мА*ч — милиампер-часы, для аккумуляторов для носимых устройств, например смартфонов, квадрокопетров и электронных сигарет.
• Вт*часы — ватт-часы.

Эти характеристики позволяют определить, сколько времени работы выдержит аккумулятор при конкретной нагрузке. Для определения электрическую емкость аккумулятора измеряют в кулонах (Кл). В свою очередь кулон равен количеству электричества, переданному аккумулятору при силе тока 1А за 1с. Тогда если перевести в часы, то при токе в 1А за 1 час передается 3600 Кл.

Одним из способов измерения емкости аккумулятора является его разряд заведомо известным током, при этом вы должны замерить время разряда. Допустим, если аккумулятор разрядился до минимального уровня напряжения за 10 часов током в 5А – значит его емкость 50 А*ч

Электроемкость – это важная величина в электронике и электротехнике. На практике конденсаторы применяются практически в каждой схеме электронного устройства. Например, в блоках питания – для сглаживания пульсаций, уменьшения влияния высоковольтных всплесков на силовые ключи. Во времязадающих цепях различных схем, а также в ШИМ-контроллерах для того, чтобы задать рабочую частоту. Аккумуляторы также применяются повсеместно. Вообще задачи накапливания энергии и сдвига фаз встречаются очень часто.

Кратко объяснение изложено в этом видео уроке:

Теперь вы знаете, что такое электрическая емкость, в каких единицах происходит ее измерение и от чего зависит данная величина. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и понятной!

Материалы по теме:

Датчик просто устанавливают в резервуаре, предназначенном для жидкого материала, уровень которого в данном резервуаре (например в трубе) нужно контролировать. За базовую диэлектрическую проницаемость здесь принимается текущая диэлектрическая проницаемость воздуха. И как только жидкость соприкоснется с чувствительным элементом датчика, емкость чувствительного конденсатора изменится. В этот момент датчик сработает – будет зафиксирован контрольный уровень жидкости.

Датчик способен, таким образом, измерять уровень жидкого продукта, и при необходимости, взаимодействуя с автоматикой, поддерживать требуемое значение. Он может контролировать наполнение емкости жидкостью и процесс прохождение жидкости по трубопроводу, а также отслеживать расход. Таким образом, емкостной датчик уровня жидкости – незаменимое решение для систем автоматизации на разного рода предприятиях.

Андрей Повный, FB, ВК