Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba –
Kapacitivni merači nivoa
strana 1 od 8
III VEŽBA
3.
MERENJE NIVOA TEČNOS
TI KAPACITIVNIM PRET
VARAČIMA
Kapacitivni pretvarači za merenje nivo
a –
sa promenom visine tečnosti u rezervoaru menja se
kapacitivnost pretvarača. Ukoliko tečnosti nije dielektrik neophodna je izolacija elektroda. Povećanje
os
etljivosti se postiže korišćenjem više elektroda čime se ostvaruje paralelna veza više kondezatora
iste kapacitivnosti. Pretvarač se vezuje u kapacitivni polumost i nakon linearizacije izlazni napon je
direktno srazmeran nivou tečnosti u rezervoaru. Takođe, kapacitivni pretvarač se vezuje u astabilni
ili monostabilni multivibrator. Pri korišćenju astabilnog multivibratora frekvencija impulsa zavisi od
vremena punjenja kondenzatora koga predstavlja pretvarač, što je proporcionalno njegovoj
kapacitivnosti. Mo
nostablilno multivibrator pobuđuju se impulsima konstantne frekvenicije, pri
čemu odnos impuls
-
pauza zavise od kapacitivnosti pretvarača. Moguće je deljenje frekvencije usled
dužeg trajanja kvazistabilnog stanja u odnosu na periodu pobudnih impulsa. Pri prenosu na daljinu
poželjnije je koristi impulsni signal, jer je mnogo manje osetljiv na šum u odnosu na efektivnu
vrednost napona.
3.1.
ZADATAK VEŽBE
a)
Koristeći koaksijalni kapacitivni pretvarač u kapacitivnom polumostu snimiti zavisnost izlaznog
napona od nivoa
izolatorske tečnosti (transformatorskog ulja).
b)
Snimiti zavisnost izlaznog napona i frekvencije astabilnog multivibratorskog mosta od nivoa ulja.
Krive prikazati na istom grafiku. Koristiti pri tome pločasti kapacitivni pretvarac sa dve različite
vrednosti nominalne kapacitivnosti.
c)
Prikazati izlazni napon monostabilnog multivibratorskog mosta u funkciji nivoa. Merenje vršiti sa
kondenzatorom za sprečavanje deljenja učestanosti okidnih impulsa i bez njega.
3.2.
TEORIJSKI OSNOVI
3.2.1.
PREGLED VAŽNIJIH METODA ZA MERENJE
NIVOA TEČNOSTI
Merenje nivoa tečnosti u nekom rezervoaru daje uvid u zapreminu, a kod poznate gustine, takođ
e i u
masu tečnosti. Klasična neposredna merna metoda, koja se i dalje koristi u praksi, sastoji se u
uronjavanju metalne sipke-lenjira. Vizuelnim p
utem uočava se do kog nivoa je merna
šipka okvašena.
U savremenoj tehni
č
koj praksi, prvenstveni zna
č
aj imaju elektri
č
ni metodi merernja nivoa koji su
primenljivi za daljinska merenja, a tako
đ
e i u procesnoj tehnici.
Načini merenja nivoa mogu se podeliti
na kontinualne i diskretne. Kontinualna merenja daju trenutnu vrednost nivoa dok diskretna merenja
daju signal kada nivo tečnosti poraste ili opadne u odnosu na neku zadatu graničnu vrednost.
Na slici 3.1
prikazani su neki od načina kontinualnog merenja nivoa. Uređaji na s1.
3.1 a i b
koriste plovak koji neposredno ili preko kotura deluje na potenciometarski pretvarač za merenje
translatornog ili ugaonog pomeranja. Na primer, kod automobila koriste se merači nivoa sa pl
ovkom
učvršćenim za jedan kraj poluge dok drugi kraj pokreće klizač potenciometra.
U uređaju na s1.
3.1
c štap konstantnog preseka je pričvršćen na pretvarač za merenje sile veće
krutosti. Kada se štap potopi u tecnost, njegova težina se prividno smanjuje za silu jednaku težini
istisnute tečnosti (Arhimedov zakon). Deo štapa koji je potopljen u tečnost je proporcionalan nivou, pa
je sila potiska koju meri pretvarač linearna funkcija nivoa. Direktno određivanje količine tečnosti bez
obzir
a na geometriju rezervoara može se vrsiti ako se pomoću elektronske vage kontinualno meri težina
rezervoara s1. 3.1
d. U uređajima ovog tipa se kao senzori obično koriste merne trake. Na s1.
3.1 e
prikazan je metod m
erenja nivoa na osnovu određivanja razlike hidrostatičkog pritiska na dnu i vrhu
suda,
Δ
p =
ρ
gh,
koja je linearno zavisna od nivoa. U ovom slučaju potrebno je poznavati gustinu
tecnosti
ρ
.
Kontinualno merenje nivoa tečnosti na osnovu apsorpcije γ zračenja
prikazano je na s1. 3.1 f.
Uređaj se sastoji od
izvora najčešće
137
Cs
,
60
Co
ili
226
Ra
i od detektora intenziteta zracenja
I
.
Detektor je postavljen tako da
zraci prolaze kroz tečnost i apsorbuju se u njoj.
Izlazni signal
Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba –
Kapacitivni merači nivoa
strana 2 od 8
detektora kalibriše se direktno u jedinicama nivoa.
Ovako se meri nivo teč
nog gvo
žđa u zeljezarama, a
takođe i debljine limova
.
Slika 3.1: Neki metodi kominualnog merenja niv
oa tečnosti a) na bazi senzora translacije, b) rotacije,
c) na osnovu merenja sile potiska, d) na bazi merenja težine tečnosti, e) razlike pritiska i f) na osnovu
apsorpcije radio
aktivnog zračenja.
Sl. 3.2
prikazuje neke od metoda za diskretno određivanje nivoa tečnosti.
U trenutku kada nivo
pređe neku određenu vrednost generiše se signal koji se koristi za automatsku zaštitu od prepunjavanja
rezervoara ili kao alarm da je nivo pao ispod najmanje dozvoljene vrednosti. Sa vise kontaktnih senzora
postavljenih u vertikalnom nizu, koji aktiviraju niz sijalica dobija se svetlosni indikator koji daje
priblizno analogni prikaz trenutnog nivoa tečnosti.
Kod provodnih teč
nosti koristi se kontaktni metod sa dve razmaknute elektrode koje se u vazduhu
ponašaju kao otvoreni, a u tečnosti kao zatvoreni prekidač sl.
3.2
a. Kod dielektričnih tečnosti
primenjuje se kapacitivni senzori u vidu malog kondenzatora
čija se kapacitivnost pri potapanju
skokovito poveća
r
puta, gde je
r
relativna dielektrična konstanta sl.
3.2 b.
Kao diskretni senzori nivoa koriste se i samozagrejani otporni senzori temperature (metalni
otpornici, NTC i PTC termistori), sl. 3.2
c. Pošto je toplotna provodnost tečnosti mnogo veća nego
toplotna provodnost vazduha, pri potapanju u tečnost temperatura senzora opada, tim
e se dobija
skokoviti strujni ili naponski signal.
Optoelektronski pretvarači za diskretno merenje nivoa providnih i neprovidnih tečnosti prikazani
su na sl. 3.2 d, e, f. Senzor na sl. 3.2 d namenjen je za providne t
ečnosti. On se sastoji od svetlosnog
izvora ( LED
), svetlovodnog vlakna, prizme i fotoelektričnog detektora. Kada je prizma u vazduhu,
svetlost se reflektuje na unutrasnjim površinama, dospeva u prijemno vlakno i pada na fotodetektor.
Ka
da prizma dospe u tečnost uslov totalne refleksije nije zadovoljen, pa svetlost u tacki
A
napušta prizmu. Fotodetektor tada nije osvetljen, pa mu je izlaz jednak nuli.
Slično reš
enje prikazano je
na sl. 3.2 e, gde
ulogu prizme ima savijeni deo vlakna sa koga je skinut optički zaštitni sloj.
Kod
neprovidnih tečnosti može se koristiti elektronska komponenta koja se sastoji od
LED
i fotodiode čiji
optički kontakt se ostvaruje kroz vazduh. Kada neprovidna tečnost dospe do vazdušnog procepa,
prekida se svetlost koja iz LED pada na detektor sl. 3.2
f. Na ovaj način se može određivati nivo
sprašenih i zrnastih materijala.
