Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Kapacitní snímače polohy hladiny

Kapacitní snímače polohy hladiny pracují na principu měření kapacity kondenzátoru, jehož elektrody přicházejí do styku s měřenou látkou, kterou může být kapalina, sypký či kusový materiál. Podstatnou část kapacitního hladinoměru tvoří elektrický kondenzátor s proměnlivou kapacitou. Většinou se neměří jen kapacita, ale i impedance, a někteří výrobci tudíž označují tyto snímače jako impedanční nebo admitanční. Kapacitní snímače se používají jak ke spojitému snímání polohy hladiny, tak i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot [3], [4], [5]. Konstrukce snímače do značné míry závisí na vodivosti měřeného média. 

Princip funkce kapacitního snímače hladiny

Princip funkce kapacitního snímače pro měření polohy hladiny nevodivé kapaliny je vysvětlen na obr. 1, kde je nakreslen deskový kondenzátor s „posuvným“ dielektrikem. Toto dielektrikum představuje nevodivou kapalinu, která zaplavuje kondenzátor. Okamžitou celkovou kapacitu C lze vyjádřit součtem dvou dílčích kapacit CACB

vzorec     (1) 

kde:

εA je permitivita posuvného dielektrika,

εB  permitivita vzduchu,

a   šířka desky.

Význam ostatních symbolů je zřejmý z obr. 1a. Se změnou polohy hladiny l se lineárně mění kapacita C. Průběh statické charakteristiky snímače je znázorněn na obr. 1b.

Sonda kapacitního snímače hladiny má obvykle válcový tvar a je tvořena dvěma koncentrickými stojatými válci. Vnitřní elektrodou je např. svislá tyč nebo lano, vnější elektrodou může být stěna kovové nádoby. Je třeba rozlišit dva případy – měření elektricky vodivých médií a měření nevodivých médií (obr. 2). Celková kapacita válcového kondenzátoru je tvořena kapacitami C0 (kapacita upevnění a přívodů), C1 (proměnná kapacita ponořené části), C2 (proměnná kapacita vynořené části). Pro kapalinu s permitivitou ε1 > 1 platí v obou případech vztah [1]:

vzorec     (2)

Význam symbolů je zřejmý z obr. 2.

Při měření nevodivých médií (např. olej, nafta, benzin) je kondenzátor tvořen střední vodivou elektrodou (obr. 2a) a druhou elektrodou, kterou je obvykle kovová stěna nádoby. Dielektrikem je nevodivá kapalina, která při změně polohy hladiny zaplavuje střední elektrodu. S polohou hladiny se mění kapacita snímače, protože permitivita náplně je několikanásobně větší než permitivita vzduchu. U vodivých médií (např. voda a vodné roztoky) musí být snímací elektroda zcela pokryta izolační vrstvou (obr. 2b). Dielektrikum kondenzátoru v tom případě tvoří izolace elektrody (např. teflon). Kapacita elektrody vzhledem ke stěnám nádoby je zanedbatelná ve srovnání s kapacitou mezi elektrodou a vodivou kapalinou. Vodivá kapalina tvoří proměnnou plochu vnější elektrody, která se mění se změnou polohy hladiny v nádobě.

Vlastnosti měřeného média

Permitivita a elektrická vodivost jsou důležité parametry, které charakterizují médium, jehož hladina v nádrži má být měřena.

Permitivita (v cizí literatuře označovaná jako dielektrická konstanta) je fyzikální veličina vyjadřující vliv prostředí na intenzitu elektrického pole. Relativní permitivita je dána podílem permitivity daného materiálu a permitivity vakua

vzorec

Relativní permitivita je bezrozměrná veličina a její hodnota závisí na vlastnostech daného materiálu – jde tedy o materiálovou konstantu. Její hodnota vyjadřuje, kolikrát se zvětší kapacita kondenzátoru, je-li mezi elektrodami místo vakua dielektrikum. Hodnoty relativní permitivity pro vybrané látky jsou uvedeny v tabulkách. Relativní permitivita většiny plynů je velmi blízká 1,0. Hodnota permitivity závisí na teplotě a přesném složení látky. Ve většině případů použití kapacitních snímačů hladiny je referenčním materiálem vzduch (εr = 1,0). Jestliže se εr měřeného materiálu bude blížit εr vzduchu, použití kapacitního snímače k měření hladiny tohoto materiálu nebude vhodné (např. pelety z polyethylenu).

Měření kapacitním snímačem hladiny je tím snazší, čím je větší rozdíl permitivity měřeného média a permitivity prostředí nad hladinou, popř. dvou vrstev materiálu při měření polohy rozhraní. Je-li rozdíl permitivit menší než 1, je nutné použít snímač s velkou citlivostí.

Permitivita média se mění se změnou teploty, vlhkosti a složení materiálu. Permitivitu ovlivňuje také velikost částic práškového či kusového materiálu. S rostoucí teplotou permitivita klesá. U kapalných směsí (roztoky kyselin, solí apod.) hraje významnou roli složení, u sypkých látek má významný vliv obsah vlhkosti. Změny permitivity ovlivňují hodnotu výstupního signálu snímače.

Elektrická vodivost vyjadřuje schopnost dané látky vést elektrický proud; jednotkou je siemens (S). V obvodech stejnosměrného proudu je elektrická vodivost (konduktance) převrácenou hodnotou odporu (rezistance). Při vyhodnocování signálu kapacitních snímačů se pracuje se střídavým elektrickým proudem o frekvenci řádově stovek kilohertzů až jednotek megahertzů. Je tedy vyhodnocována admitance, která je u střídavého obvodu mírou jeho vodivosti. Admitance a impedance střídavých obvodů jsou analogiemi konduktance a rezistance u stejnosměrných obvodů.

Konduktivita (měrná elektrická vodivost) je fyzikální veličina, která charakterizuje pevnou nebo kapalnou látku z hlediska její schopnosti vést elektrický proud. Její hodnota závisí na materiálovém složení a na teplotě; jednotkou je siemens na metr (S/m). Kapaliny s měrnou vodivostí 10 µS/cm a větší jsou považovány za elektricky vodivé. Nevodivé kapaliny jsou charakterizovány nízkou hodnotou permitivity, u vodivých kapalin je hodnota permitivity vysoká. Materiály s permitivitou εr = 10 a větší jsou obvykle elektricky vodivé.

Elektrody kapacitních snímačů

Při konstrukci sond kapacitních snímačů jsou využívány elektrody tyčové, lanové či speciálně tvarované. Z hlediska uspořádání elektrod lze kapacitní sondy rozdělit do dvou základních skupin bez ohledu na konkrétní konstrukci:

–   zcela izolovaná sonda s izolovaným povrchem měřicí elektrody,

–   částečně izolovaná sonda s elektrodou izolovanou jen vzhledem k zemi (základní požadavek z hlediska měření); kromě této izolace je elektroda zcela kovová.

Plně izolované elektrody zajišťují galvanické oddělení od měřeného materiálu, zatímco elektrody částečně izolované jsou s materiálem v galvanickém kontaktu. Přehled typů sond vhodných pro určité případy použití je uveden v tab. 1.

Elektrody snímačů pro spojité měření i elektrody spínačů mají většinou tvar tyče nebo válce (obr. 3a). Měřicí systém s kapacitním snímačem vždy vyžaduje vhodný referenční potenciál pro druhou elektrodu kapacitního senzoru. Při měření nevodivých médií je druhou elektrodou kondenzátoru obvykle kovová stěna nádoby. V případě, že je nádoba vyrobena z nevodivého materiálu, je sonda vybavena druhou elektrodou, kterou tvoří buď děrovaná trubice obklopující tyčovou elektrodu (obr. 3b), nebo paralelní tyčová elektroda (obr. 3c). Skládá-li se stěna nádoby z více vrstev, stačí, je-li alespoň jedna vrstva vodivá (jako protielektrodu lze využít i kovovou stěnu, jejíž vnitřní povrch je pokryt smaltem, pryží nebo plasty). V hlubokých nádržích a zásobnících se používají lanové elektrody se závažím (obr. 3d), popř. s ukotvením.

Při měření vodivých médií musí být snímací elektroda izolovaná. K dispozici jsou izolované tyčové elektrody, izolované elektrody s referenční trubkou a také izolované lanové elektrody, které odpovídají provedením na obr. 3a, b, d.

Délka tyčových elektrod kapacitních hladinoměrů je od 0,2 do 5 m, lanových elektrod od 1 do 20 m. Elektrody kapacitních spínačů hladiny používané k indikaci mezních stavů mívají podobný tvar jako elektrody tyčové a jsou k dispozici jak neizolované, tak izolované (obr. 3e, f). Jejich délka je však výrazně menší, obvykle v rozmezí 30 až1 000 mm.

Provedení elektrod izolovaných i neizolovaných lze nalézt v tabulce přehledu trhu na stranách 42 až 43

Umístění elektrod v technologických zařízeních

Elektrody spojitých hladinoměrů se montují ve svislé poloze do horního víka nádrže. Při spojitém měření je nutné dodržet souběžnost kapacitní elektrody s kovovou stěnou měřeného prostoru; při nedodržení souběžnosti bude charakteristika nelineární. Rozložení siločar elektrického pole kapacitního snímače je znázorněno na obr. 4. U nádrží s rovnou svislou stěnou je změna kapacity v závislosti na poloze hladiny téměř lineární v celém měřicím rozsahu (obr. 4a). Při měření hladiny nevodivých látek v kovových nádobách tvaru ležatého válce nebo v kulových nádržích je elektrické pole mezi elektrodami deformováno (obr. 4b) a závislost kapacity na poloze hladiny je nelineární. Podobně je tomu i při měření v nádržích s kónickým ukončením, u nádob s nepravidelným tvarem nebo nádob s různými vestavbami, jako jsou např. chladicí či topné hady. V těchto případech je nutné použít paralelní referenční elektrodu, přestože je stěna nádrže kovová. Důvodem je, že vzdálenost mezi měřicí elektrodou a stěnou nádrže nebo jinými kovovými součástmi nádrže není konstantní po celé délce elektrody, což je příčinou nelineární odezvy snímače na změnu polohy hladiny. Jako referenční elektroda může být využita buď paralelní tyčová elektroda, nebo děrovaná trubice obklopující tyčovou elektrodu. Snímač se dvěma elektrodami (obr. 4c) nebo snímač s referenční trubkou okolo měřicí elektrody (obr. 4d) budou vykazovat lineární závislost u nádrží s rovnou i zakřivenou stěnou.

Použít paralelní referenční elektrodu se doporučuje i při měření hladiny materiálů s velmi malou hodnotou permitivity. Referenční elektroda (trubka nebo tyč) má těsnější vazbu k měřicí elektrodě, změny kapacity na jednotku délky budou větší ve srovnání se systémem bez této přídavné elektrody a měření bude spolehlivější [6].

Při instalaci kapacitního hladinoměru do provozních nádrží a zásobníků je třeba dodržovat určité doporučené vzdálenosti elektrod od stěny, dna či od pomocné elektrody. Některé hlavní zásady montáže hladinoměrů se spojitou funkcí jsou znázorněny na obr. 5obr. 7, konkrétní údaje jsou uvedeny vždy v dokumentaci od výrobce. Při umístění hladinoměru do kovové nádrže nebo zásobníku není třeba hlavici snímače zvlášť zemnit. Používá-li se jednoduchá tyčová sonda u zásobníků z nevodivého materiálu (plast, sklo apod.), je nutné na vnější plášť nebo na vnitřní stěnu nádrže instalovat pomocnou elektrodu z vhodného materiálu. Pomocná elektroda musí být propojena se zemnicím šroubem na hlavici snímače (obr. 5a). Při instalaci v betonových jímkách nebo silech je možné využít jako pomocnou elektrodu ocelovou výztuž (armování) v betonové stěně (obr. 5d).

Na obr. 6 jsou ukázány zásady montáže limitních elektrod ve víku nádrže. U sond limitních spínačů musí být dodržena minimální vzdálenost mezi elektrodami, aby se vzájemně neovlivňovala jejich elektromagnetická pole.

Kapacitní spínače pro indikaci mezních stavů však často bývají zabudovány i ve svislé stěně zásobníku, jak je patrné z obr. 7, na němž jsou vyznačeny i příklady nevhodného umístění elektrod. Při instalaci elektrod do boční stěny je třeba vybrat umístění mimo přímý tok kapalné či sypké látky (obr. 7a, b). Nevhodná je i instalace v úzkém hrdle (obr. 7c), kde mohou např. kondenzovat páry nebo být zadržován materiál, což může vést k nesprávné funkci spínače.

Při montáži elektrod do trubky je třeba dodržet doporučenou minimální vzdálenost od stěny (obr. 8a). Při měření ulpívajících kapalin a médií s nízkou permitivitou je doporučeno montovat sondu do kolena trubky (obr. 8b). Obecně platí, že citlivá část sondy se nesmí dotýkat konstrukce nádoby, sonda se nemá instalovat v blízkosti otvorů pro přívod materiálu ani v místech, kde se může materiál usazovat.

Přesnost měření spojitých snímačů i funkci spínačů ovlivňuje vodivá vrstva kapaliny, pěny nebo nánosů ulpívajících na jejich povrchu. Existují i speciální verze snímačů, u nichž je vliv ulpívajícího nánosu do značné míry kompenzován. Ukázka takového snímače (Endres+Hauser – Minicap FTC 262) [11] je prezentována na videozáznamu, který je připojen k elektronické verzi tohoto čísla časopisu.

Vyhodnocovací obvody

K vyhodnocení změn kapacity se používají můstky napájené střídavým napětím s frekvencí řádově v jednotkách kilohertzů nebo frekvenční metody. Všeobecně je nejen měřena kapacita, ale je vyhodnocována i impedance [2]. Kapacitní snímač, který má velkou impedanci, je s měřicím obvodem propojen speciálním měřicím kabelem. Při měření je na elektrody kapacitního snímače přiváděn vysokofrekvenční budicí signál, a tím se vyvolává nepatrný střídavý proud mezi elektrodami, který protéká nevodivým dielektrikem. Změny parametrů kapacitního snímače způsobené změnami polohy měřeného média ovlivňují velikost vysokofrekvenčního proudu mezi elektrodami. U snímačů vyráběných v současné době jsou elektronické vyhodnocovací obvody zpravidla řízeny mikroprocesorem a bývají zabudovány přímo v připojovací hlavici snímače [8]. Tyto obvody lze naprogramovat tlačítky z panelu jednotky nebo dálkově z PC prostřednictvím rozhraní HART [13]. Hladinoměry pro spojité snímání polohy hladiny poskytují analogový nebo číslicový signál vhodný pro přenos na dálku a k dalšímu zpracování. U spínačů je výstupní signál dvouhodnotový.

Inteligentní převodníky některých kapacitních snímačů hladiny bývají vybaveny automatickou kompenzací změn permitivity měřeného média. Změny permitivity nastávají buď vlivem kolísání teploty, nebo změnou složení média. Kompenzace při změnách teploty média je poměrně jednoduchá; teplotu média měří vhodný senzor teploty a elektronika převodníku zajišťuje potřebnou korekci signálu. Kompenzace při změnách složení média je podstatně náročnější. Měřicí zařízení musí být doplněno pomocným kapacitním senzorem se známými vlastnostmi. Tento senzor musí být vždy zcela ponořen do měřeného média a může být umístěn ve spodní části nádrže nebo bývá součástí dolní části měřicí elektrody. Signál referenčního senzoru, jehož geometrie je známa, je využíván k vyhodnocení permitivity média a poskytuje příslušný korekční signál pro automatickou kompenzaci [7].

Kapacitní snímače hladiny pro spojité měření se kalibrují ve dvou krocích. Nejprve se vyprázdní nádrž na minimální hladinu a seřizovacím prvkem na převodníku se nastaví počáteční hodnota signálu (např. 4 mA). Poté se nádrž naplní do maximální úrovně a seřizovacím prvkem se nastaví odpovídající zesílení tak, aby signál odpovídal horní hranici rozsahu (např. 20 mA). Jestliže není možné naplnit nádrž do maximální úrovně, lze využít jakoukoliv zjistitelnou úroveň a vypočítat odpovídající hodnotu výstupního signálu. U inteligentních převodníků je možné kalibrace provádět s libovolnými dvěma body, které odpovídají dvěma polohám hladiny, jež mohou být stanoveny v libovolném pořadí. Jestliže je známa hodnota permitivity média, je možné nastavit měřicí rozsah převodníku na základě výpočtu, k němuž je třeba znát kapacitu hlavice snímače a kapacity při nezaplavené a zaplavené elektrodě (hodnoty bývají součástí dokumentace snímače). Některé typy kapacitních hladinoměrů jsou dodávány již kalibrované od výrobce.

Uplatnění kapacitních hladinoměrů a spínačů

K přednostem kapacitních snímačů lze počítat jejich jednoduchou a robustní konstrukci bez pohyblivých částí, dobrou odolnost proti korozi, snadné čištění a použitelnost v prostředí s nebezpečím výbuchu. K nedostatkům patří nebezpečí pokrývání povrchu sondy vodivým materiálem (nánosy, kaly) a závislost na relativní permitivitě materiálu, měnící se zejména vlivem teploty a vlhkosti. Kapacitní snímače vyráběné v různých modifikacích jsou vhodné pro spojité i limitní měření vodivých i nevodivých kapalin a sypkých látek v nádržích, trubkách, zásobnících, silech, jímkách apod. Elektrody, které jsou potaženy izolací, jsou používány k měření v médiích, jež jsou elektricky vodivá, agresivní a ulpívající na povrchu sondy. Kapacitní snímače jsou vhodné k měření různých druhů sypkých materiálů (pelety, dřevěná štěpka, granuláty, obiloviny, písek, štěrk apod.) v nejrůznějších kovových a plastových zásobnících, kontejnerech, silech apod. Měřicí elektrody jsou k dispozici v širokém rozmezí délek: od asi 0,2 do 30 m, a pro teploty –40 až +400 °C. Vhodné jsou i pro snímání mezihladiny dvou nemísitelných kapalin (např. rozhraní vody a oleje). Ne­jsou vhodné k měření pěnících médií a měření může rušit i kondenzace par na elektrodě a vzlínavost vodivé kapaliny.

 Literatura:

[1] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. BEN, Praha, 2005.

[2] CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ M.: Meranie technických veličín. STU, Bratislava, 1999.

[3] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Automa, 2005, č. 5 a č. 6.

[4] KAMP, W.: The theory and practice of level measurement. Endress+Hauser, Narden, 2001.

[5] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.

[6] McMILLAN, G. K. – Considine, D. M.: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. McGraw/Hill, New York, 1999.

[7] SMITH, C. J.: Basic Process Measurement. Wiley, 2009.

[8] Měření průtoku a měření výšky hladiny. Zpravodaj firmy OMEGA č. 4. Dostupné z www.omegaeng.cz/literature/PDF/techinfo_4.pdf(prosinec 2011)

Internetové adresy dodavatelů kapacitních hladinoměrů:

www.dinel.cz 

www.endress.com; www.endress.cz 

www.levelexpert.cz 

www.nivelco.com 

doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,

ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha

Obr. 1. Princip kapacitního snímače s proměnnou permitivitou (nevodivá kapalina): a) schéma, b) charakteristika

Obr. 2. Kapacitní snímač hladiny: a) pro nevodivé kapaliny, b) pro vodivé kapaliny

Obr. 3. Kapacitní snímače hladiny: a, b, c, d) pro spojité snímače hladiny, e, f) pro spínače hladiny (upraveno podle materiálů firmy Dinel)

Obr. 4. Vliv tvaru nádrže na linearitu měření

Obr. 5. Instalace spojitých snímačů hladiny (upraveno podle materiálů firmy Dinel)

a) kovová nádoba, popř. nevodivá nádoba s pomocnou elektrodou, b) kovová válcová nádoba o malém průměru, c) ležatá válcová nádoba a snímač s referenční trubkou, d) betonový zásobník

Obr. 6. Instalace limitních spínačů hladiny (upraveno podle materiálů firmy Dinel) a) kovová nádrž, b) nádrž z nevodivého materiálu

Obr. 7. Umístění kapacitních spínačů v provozních nádržích (upraveno podle materiálů firmy Dinel)

Obr. 8. Umístění kapacitních spínačů v potrubí

Tab. 1. Použití kapacitních sond [6]

Použití sondy

Měřené médium

Kapacitní sonda

plně izolovaná

částečně izolovaná

mezní spínač

nevodivé

vhodná

vhodná

mezní spínač

vodivé

vhodná

nevhodná

spojité měření

nevodivé

vhodná

vhodná

spojité měření

vodivé

vhodná

nevhodná

 

s extrémně malou permitivitou

s omezením

vhodná

 

chemicky agresivní

vhodná

pouze speciální materiál