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 2012г.

1.  
Краткая характеристика ёмкостных преобразователей

.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.

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, S -площадь, -расстояние между электродами.

Рис. 3

2. Уровнемеры

Уровнемер - прибор <#"696931.files/image011.gif">

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.

где  -полная длина преобразователя, l -длина преобразователя в жидкости,  -радиусы внешних и внутренних цилиндров;  -диэлектрическая проницаемость вакуума;  - относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Датчик ёмкостного уровнемера представляет собой электрический конденсатор <#"696931.files/image018.gif">

Рис. 5

Уровень раздела веществ обычно отсчитывается от нижнего конца емкостного датчика. Максимальное значение измеряемого уровня h не может превышать длины емкостного датчика ℓ, т. е. hмаксим = ℓ. 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 Ԑв и Ԑн и удельные активные проводимости үв и үн, и выполняется хотя бы одно из неравенств в ≠ н или үв ≠ үн, 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 Ԑ и ү 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 Ԑн нижнего вещества на относительную величину βн в простейших уровнемерах возникает погрешность измерения, равная  , т. е. погрешность от нестабильности н превышает величину этой нестабильности.

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 Ԑi;

i - диэлектрическая проницаемость вещества

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

Shп - приведенная удельная чувствительность измерительной схемы по уровню h.

.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

-30 °С ... +50 °С (специсполнение: -45 °С ... +50 °С)

температура контролируемой среды

обычное исполнение

-30 °С ... +60 °С (специсполнение: -45 °С ... +60 °С)

исполнение с термовтулкой

-30 °С ... +120 °С (специсполнение: -45 °С ... +120 °С)

исполнение датчика с разнесенными  электронным модулем и ЧЭ

-30 °С ... +180 °С (специсполнение: -45 °С ... +180 °С)

давление в объекте контроля

до 2,5 МПа

относительная влажность

до 95% (при 40 °С)

вибрационные нагрузки

5 ... 80 Гц, 1 g

погрешность измерения

±1%

датчик Е, ЕС

IP54

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.

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).