Что такое емкостный уровнемер?

Что такое емкостный уровнемер / сигнализатор?

Все продукты характеризуются удельной емкостью или диэлектрической постоянной. Традиционный емкостный сигнализатор использует диэлектрическую постоянную для формирования конденсатора, где в качестве обкладок выступают сенсор и окружающие его предметы. Присутствие продукта вызывает изменение емкости, что приводит к срабатыванию сигнализатора. На следующей фотографии несколько емкостных сигнализаторов уровня контролируют уровень воды жидкости в пластмассовой емкости:

Непрерывный емкостный уровнемер (емкостный тип 1).

Существует две основные модификации таких датчиков:

1-я — одноэлектродный, имеет чувствительный элемент в виде металлического стержня (полосы), который может быть покрыт диэлектриком для защиты от агрессивной среды. Роль второй обкладки конденсатора выполняет сам металлический резервуар.

2-я — двухэлектродный, имеет чувствительный элемент в виде коаксиального конденсатора, образованного внешней трубой и внутренним стержнем. Такая конструкция позволяет улучшить стабильность показаний датчика и снизить помехи от внешних воздействий.

Датчики такого типа имеют простую конструкцию, невысокую стоимость т. к. чувствительный элемент прост в изготовлении и не имеет активных узлов в своей конструкции. Одновременно такие датчики имеют небольшую точность (стандартная точность не лучше 0.5% от измеряемого диапазона) вследствие того, что емкость чувствительного элемента зависит как от уровня заполнения жидкостью, так и от изменения диэлектрической проницаемости самой жидкости (например, вследствие изменения температуры или непостоянного фракционного состава жидкостей).
Данные датчики применимы как технологический инструмент контроля технологических процессов, где не нужна высокая точность, а основным критерием является надежность конструкции и невысокая
стоимость. В случае герметизации центрального элемента датчик может работать также в агрессивных и электропроводных средах, но в этом случае, как правило, на длину датчика могут быть наложены
ограничения вследствие трудностей герметизации электродов большой длины. Одно из названий датчиков этого типа «емкостные электроды». Как правило, не применяются для коммерческого учета нефтепродуктов из-за недостаточной точности.
Широко распространены в качестве пороговых датчиков — реле.

Сегментированный емкостный уровнемер 1 (емкостный тип 2).

Чувствительный элемент датчиков этого типа изготавливается как набор коаксиальных конденсаторов с непрерывной внешней обкладкой. Такие конденсаторы располагаются друг за другом по всей длине датчика с минимальным зазором. Конструкция таких датчиков выполняется из труб различного диаметра. Внутренний электрод является, как правило, набором из отрезков труб одинаковой длины, называемых сегментами. Количество таких отдельных сегментов составляет от 4 до 16. Внешняя труба чувствительного элемента (ЧЭ) является одновременно общей обкладкой, экраном и корпусом датчика (ЧЭ). Разделение ЧЭ на сегменты приводит к качественному изменению метрологических свойств датчика. В таком датчике можно учитывать изменения свойства продукта, анализируя емкость нижних полностью заполненных сегментов и корректируя характеристику рабочего сегмента в зависимости от типа, свойств жидкости и температуры. (Под рабочим сегментом понимается сегмент, который находится на границе раздела фаз.). Сегментирование ЧЭ датчика позволяет также повысить абсолютную точность датчика, т. к. измерение уровня выполняется только в диапазоне одного сегмента. А расчет полного уровня осуществляется на основании количества полностью заполненных сегментов, их длины и уровня измеренного на рабочем сегменте. Конструкции ЧЭ таких датчиков выполняются как пассивные элементы (без электроники), что делает их особенно надежными. Датчики такого типа имеют ограничения, которые определяются конструкцией:
— длина конструкции не превышает 4–6 м (в зависимости от производителя), что ограничивает их применение
для РВС;
— невозможно одновременно измерять уровень воды и нефтепродукта, если оба уровня находятся на одном
сегменте;
— погрешность датчика может возрастать, если диэлектрические свойства продукта изменяются от сегмента к сегменту (в резервуаре имеется сильное расслоение продукта).

Существует промежуточный вариант между емкостным типом 1 и типом 2, который представляет собой модификацию типа 1, но с дополнительной нижней «опорной» секцией, которая всегда погружена в продукт или модификация состоящая из 2-х сенсоров типа 1, но имеющих разную длину (один сенсор короче другого
на известную длину). Обе эти модификации позволяют ввести в датчик адаптацию к изменению диэлектрических свойств среды. В основу этой возможности положен принцип «образцовой емкости» в
качестве которой служит или отдельная секция или часть секции с которой снимается сигнал пропорциональный изменению диэлектрическим свойствам продукта, и не зависящий от уровня. На основании этого дополнительного сигнала производится масштабирование характеристики основного чувствительного элемента и тем самым повышается точность измерений.

Сегментированный емкостный уровнемер 2 (емкостный тип 3).

Чувствительный элемент (ЧЭ) этих датчиков имеет большое количество отдельных сегментов — конденсаторов (до 128 шт. на 1 м длины датчика). Т. о. конструкция датчика этого типа устраняет недостатки датчика типа 2. ЧЭ этих датчиков имеют встроенные активные схемы возбуждения и изготовлены из двух печатных плат, металлизация которых образует обкладки измерительных конденсаторов. Размер каждого измерительного сегмента по высоте колеблется от 8 до 64 мм в зависимости от производителя.

В результате небольшой высоты конденсаторов для абсолютной точности в ±1 мм, необходимо иметь относительную точность ±5% для высоты конденсаторов 15–20 мм. Т. о. упрощаются требования по точности к электронике датчика. Кроме того, адаптация датчика к изменению диэлектрической проницаемости (смене типа нефтепродукта, изменению температуры и пр.) происходит уже после небольшого изменения уровня (на высоту одного сегмента). Применяя специальные алгоритмы обработки сигнала с отдельных сегментов, в датчиках такого типа реализуется встроенный механизм поверки датчика на резервуаре. Кроме того, датчик осуществляет постоянную калибровку себя для компенсации воздействия факторов внешней среды. Реализация ЧЭ в виде плоского составного конденсатора позволяет снять ограничения на длину датчика. Легко реализуется жесткая конструкция датчика уровня высотой до 20 м. При этом конструкция датчика всегда будет стоять на дне резервуара и, следовательно, измерения уровня будут вестись от дна резервуара.