Емкостные и индуктивные уровнемеры

Для измерения уровня жидких диэлектриков применяют ёмкостные уровнемеры. Чувствительным элементом последних является конденсатор, между вертикально установленными обкладками которого находится жидкость. При измерении уровня жидкости изменяется ёмкость конденсатора, включенного в одно из плеч моста переменного тока, и на вход вторичного прибора подаются сигналы, пропорциональные измеряемому уровню. Ёмкостные уровнемеры применяют для измерения уровня жидких (за исключением вязких и кристаллизующихся) и сыпучих сред.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости первичного преобразователя, введенного в жидкость, от ее измеряемого уровня. Емкость преобразователя определяют как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых образован жидкостью и частью электродов, погруженных в нее, а второй − остальной частью электродов и газовым объемом. Емкостные уровнемеры служат для измерения уровня жидкостей с давлением до 6 МПа и температурой от -40⁰ до
+200 ⁰C.

Конструкция уровнемеров зависит от электрической проводимости жидкостей. В случае электропроводных жидкостей (удельное сопротивление r ≤ 10⁵-10⁶ Ом∙м) электроды первичного преобразователя покрывают изоляцией.

Форма электродов может быть различной, чаще всего используют цилиндрические электроды, занимающие весь объем жидкости и газового пространства. Схема емкостного уровнемера для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей (ПЕ-6) показана на рисунке 6.3, а.

Рисунок 6.3 −Емкостный уровнемер для неэлектропроводных жидкостей (а)
иего эквивалентная электрическая схема (б)

Преобразователь выполнен в виде цилиндрического конденсатора с двумя коаксиально расположенными электродами 2 и 3, опущенными в сосуд 1. На рисунке 6.3, б изображена эквивалентная электрическая схема замещения, в которую входят емкости С₁ (уровня жидкости h между электродами 2 и 3), С₂ (газового пространства между электродами 2 и 3), С_и (проходного изолятора 4)и активное сопротивление R_и. Емкость С₂ зависит от уровня h и диэлектрической проницаемости ε жидкости, которая может изменяться с увеличением ее температуры и изменением состава.

Для устранения влияния диэлектрической проницаемости ε на уровень h используют компенсационный конденсатор, который целиком погружен в жидкость, вследствие чего его емкость зависит только от ε. Изменение емкости компенсационного конденсатора используется в измерительной схеме уровнемера в качестве корректирующего сигнала. При наличии активного сопротивления R_и в выходном сопротивлении Z_np (рисунке 6.3, б) в измерительной схеме уровнемера появляется сигнал помехи, который вызывает фазовое искажение полезного сигнала. Для уменьшения этого влияния в схему прибора включают фазовый детектор.

Конденсаторные преобразователи для электропроводных жидкостей ПЕИ-1 имеют такое же устройство, что и конденсаторные преобразователи для неэлектропроводных жидкостей ПЕИ-6, но отличаются от них изолированием одного электрода и введением в эквивалентную электрическую схему дополнительных емкостей С₃ (образованной изоляцией электрода в газовом пространстве) и С₄ (образованной изоляцией в объеме жидкости) и сопротивления жидкости R_ж.

Электрическую емкость в уровнемерах измеряют с помощью резонансных и мостовых схем. Резонансные схемы (ЭСУ) применяют в емкостных сигнализаторах уровня жидкости и сыпучих веществ, а мостовые схемы (ЭИУ, ДЕУ) − в уровнемерах, работающих в комплекте со вторичными показывающими приборами.

Мостовые схемы строят в виде индуктивно-емкостного моста, состоящего из индуктивностей двух вторичных обмоток трансформатора, который получает питание от генератора синусоидальных колебаний, подстроечного конденсатора и емкости уровнемера (С_у=С₁+С₂+C_и). При появлении сигнала разбаланса моста, пропорционального уровню жидкости, происходит его усиление и подача на вторичный прибор (например, на потенциометр КСП-2).

Диапазон измерения уровнемеров зависит от типа преобразователя и составляет от 1 до 20 м; допускаемая основная погрешность − 2,5%. Недостатками емкостных уровнемеров являются невозможность изменения уровня вязких, пленкообразующих, кристаллизирующихся жидкостей, а также высокая чувствительность к изменению диэлектрических свойств жидкости и емкости измерительных проводов.

Для измерения уровня жидкометаллического теплоносителя служат индуктивные уровнемеры, принцип действия которых основан на зависимости взаимной индукции двух катушек от уровня их погружении в электропроводящую жидкость. По обмотке возбуждения проходит переменный ток, который способствует возникновению напряжения на выходе U_вых, пропорционального уровню жидкости, снимаемому со вторичной обмотки. Преобразователь устанавливается в защитный металлический чехол, что позволяет при замене уровнемера не нарушать герметичности контура теплоносителя.

Рисунок 6.4 − Схема дискретного сигнализатора уровня в электропроводных жидкостях

Наряду с показывающими измерительными приборами получили распространение дискретные сигнализаторы уровня. В этих приборах при достижении верхнего (две вторич­ные обмотки находятся в жидкости) или нижнего (две вторичные обмотки находятся вне жидкости) уровня выходной сигнал U_вых = 0, так как две вторичные обмотки включены встречно. На таком принципе действия работает дискретный уровнемер, который состоит из нескольких катушек индуктивности К (рисунок 6.4), размещенных в металлическом чехле вертикально. При изменении уровня с помощью логического устройства определяется катушка с U_вых ≠ 0,по которой и находят уровень. В этом приборе показания не зависят от изменения температуры среды и наличия на чехле пленок расплава или оксидов. В настоящее время выпускают индуктивные уровнемеры «Квант» с предельной температурой измеряемой среды до 680 ⁰С.