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).