Fizičko-tehnčka merenja – Laboratorijska vežba – Kapacitivni merači nivoa

MERENJE NIVOA TEČNOSTI KAPACITIVNIM PRETVARAČIMA

Kapacitivni pretvarači za merenje nivoa – sa promenom visine tečnosti u rezervoaru menja se kapacitivnost pretvarača. Ukoliko tečnosti nije dielektrik neophodna je izolacija elektroda. Povećanje osetljivosti 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. Monostablilno 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.

ZADATAK VEŽBE

1. Koristeći koaksijalni kapacitivni pretvarač u kapacitivnom polumostu snimiti zavisnost izlaznog napona od nivoa izolatorske tečnosti (transformatorskog ulja).
2. 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.
3. Prikazati izlazni napon monostabilnog multivibratorskog mosta u funkciji nivoa. Merenje vršiti sa kondenzatorom za sprečavanje deljenja učestanosti okidnih impulsa i bez njega.

TEORIJSKI OSNOVI – PREGLED VAŽNIJIH METODA ZA MERENJE NIVOA TEČNOSTI

Merenje nivoa tečnosti u nekom rezervoaru daje uvid u zapreminu, a kod poznate gustine, takođe i u masu tečnosti. Klasična neposredna merna metoda, koja se i dalje koristi u praksi, sastoji se u uronjavanju metalne sipke-lenjira. Vizuelnim putem uočava se do kog nivoa je merna šipka okvašena.

U savremenoj tehničkoj praksi, prvenstveni značaj imaju električni metodi merernja nivoa koji su primenljivi za daljinska merenja, a takođe 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 plovkom 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 obzira 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 merenja nivoa na osnovu određivanja razlike hidrostatičkog pritiska na dnu i vrhu suda, Δp = ρgh, 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 137Cs , 60Co ili 226Ra i od detektora intenziteta zracenja I .

Detektor je postavljen tako da  zraci prolaze kroz tečnost i apsorbuju se u njoj. Izlazni signal detektora kalibriše se direktno u jedinicama nivoa. Ovako se meri nivo tečnog gvožđa u zeljezarama, a takođe i debljine limova.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 tečnosti 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, time 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 tečnosti. 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.

Kada 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 rešenje 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.

KAPACITIVNI PRETVARAČI ZA KONTINUALNO MERENJE NIVOA TEČNOSTI

Kapacitivni pretvarači imaju oblik pločastog ili koaksijalnog cilindra konstantne podužne kapacitivnosti sl. 3.3. Razmak elektroda je podešen da tečnost lako ispunjava međuprostor do visine jednake nivou tečnosti h . Dobra osobina kapacitivnih pretvarača je što nemaju pokretnih delova, pa stoga nisu podložni habanju. Osim toga cena kapacitivnih pretvarača je relativno mala, a i prateća kola su uglavnom jednostavne konstrukcije. Pločasti i koaksijalni pretvarači, sl. 3.3 a i 3.3 b, primenjuju se za merenje nivoa tečnosti koje se ponačaju kao dobri dielektrici, kao na primer ulja, benzin, svi tečni ugljovodonici. Pločasti pretvarač često ima samo jednu elektrodu postavljenu paralelno metalnom zidu rezervoara koji igra ulogu druge elektrode.

Ako je tečnost provodna (npr. pijaća voda, kiseline i dr.) jedna od ploča kapacitivnog pretvarač mora biti izolovana kako bi se sprečio galvanski kontakt među elektrodama. Na sl. 3.3 c prikazan je koaksijalni pretvarač kod koga je unutrašnja elektroda presvučena slojem izolatora konstantne debljine. U delu pretvarača koji je potopljen u tečnost, kao dielektrik služi samo izolalor unutračnje elektrode. Iznad nivoa tečnosti pretvarač predstavlja kondenzator sa dvostrukim slojem dielektrika od kojih je jedan vazduh.

Zajednicka osobina svih kapacitivnih pretvarača za kontinualno merenje nivoa je da im je kapacitivnost linearna funkcija nivoa. Pri tome se pretpostavlja da se krivljenje ploča i uticaj izolatora kojima su ploče pričvršćene može zanemariti. Kapacitivnost pločastog i cilindričnog pretvarača sa sl. 3.3 a i 3.3 b, data je linearnom funkcijom…