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    电容液位计针对于被测介质介电常数发生变化时场合应用分析

    发表时间:2020-04-18   点击次数:  技术支持:15601403222
    电容传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量,从而使电容量发生变化的原理制成的。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。电容式液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内,金属棒作为电容的一个极,容器壁作为电容的另一极。
     
    两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同,比如:ε1>ε2,则当液位升高时,两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降,ε值减小,电容量也减小。 
    所以,可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值,而且,只有ε1和ε2的恒定才能保证液位测量准确,因被测介质具有导电性,所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。电容液位计体积小,容易实现远传和调节,适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。
     
    电容液位计应用的非常初成果是飞机油箱内油量的测定,它具有准确度较高 ( 通常基本误差为 ± 2. 5% ~ ± 0. 5% ,特殊精心制作时可达± 0. 01% ) 、结构简单、可靠、安装方便等优点。目前,它已经成为生产过程测量和控制领域中应用广泛的物位计之一。在生产过程中,仪表使用的环境条件及工作介质的压力、温 度、成分、含水量等工艺变量的随机变化非常终以被测介质介电常数变化的形式呈现出来。它将直接影响检测元件的输出信号,非常终影响测量的准确性。一旦它们的影响不可忽略,必须采用补偿方法。 

    电容式液位计
     
    1 被测介质介电常数变化时产生的误差
     
    在采用简易型电容液位计测量液位时,要求液体上方的气体介电常数 εg 和液体介电常数 εl 保持恒定,传感器电容增量 ΔCh 才能与液位 h 呈现一一对应的线性关系。当工况、环境条件和原材料等变化时,要保持被测介质介电常数 ( 特别是 εl ) 恒定是困难的。通常情况下,εl > εg,并且变化显著。εg≈1,我们只考虑 εl 变化的影响。设 εl的相对性变化量为 β,则由此产生的相对测量误差:
    QQ截图20200326110917.jpg
     
    由于QQ截图20200326110921.jpg因此 δ > β,也就是说,因被测介质介电常数 εl 的不稳定性引起的测量误差超过 εl 本身不稳定数值,而且 εl 越接近 εg,误差越大。 
     
    当 εl = 2,β = ± 10% ( 一些国外标准中,对介电常数变化补偿的电容液位计规定的介电常数的允许变化范围) 时:
    QQ截图20200326110925.jpg
    没有考虑仪表本身的示值误差及 εg 变化引起的影响,仅 δ 一项就远远大于仪表的基本误差限。为了获得正确的测量结果,必须采取补偿措施。 
     
    2 补偿方法
    补偿方法有很多,我们可以根据被测介质介电常数变化的情况,对测量结果的要求及“性能价格比”等因素选取合适的方法。
     
    这里介绍一下实用的双输入法产品。 
    2. 1 定点校正法
     
    自动补偿介电常数的电容液位计示意图如图 1 所示。
    自动补偿介电常数的电容液位计示意图
     
    在被测液位范围的中部,水平安装一个电容物位开关或音叉液位开关自动补偿介电常数的电容液位计示意图如图 1 所示。当液位到达该位置时,电容液位计传感器电容量产生变化或原先振荡的音叉受液体阻碍而停振,于是发出开关信号, 调 节 电 路 工 作, 改变输出特性的斜率,使液位计的读数值与该点位置对应的液位值 相 吻 合,从 而 取 得 消 除 εl 变 化 影 响 的效果。
     
    该方法适用于容器内液体的介电常数变化缓慢的场合,例如,原料、半成品及成品贮槽内的液位测量。
     
    2. 2 补偿电容传感器法
    在容器的底部另行安装一个补偿电容电极,该电极始终处于被测介质之中,测取与介电常数成正比的信号。将该信号输入仪表,通过仪表内部的除法器,将它去除测量电极的输出信号,从而去除 εl 因子。除法器的输出信号只与液位有关,而与 εl 无关。
     
    该方法适用于被测液体介电常数变化较迅速的场合,如反应容器内的液体测量。
     
    我们发现上述两种方法有一个共同点: 起到补偿作用的传感器都是安装在容器某个固定的位置上,并以该位置上液体介电常数的变化为依据进行补偿的。这两种方法仅适用于容器内不同位置上液体的介电常数及与其变化完全相同的场合。
     

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