SEMINARSKA NALOGA Merjenje višine gladinlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar...kapacitivnih sondah, prevlečenih s teflonom, je notranji prevodnik električno izoliran

Merilni pretvorniki 2010/2011

Stojan Abram, Erik Jurečič Page 1

SEMINARSKA NALOGA

Merjenje višine gladin (optični, kapacitivni in induktivni senzorji)

PREDMET: Merilni pretvorniki

PREDAVATELJ: doc. dr. Peter Zajec, univ.dipl.ing



KZALO:

1. 0. Optične naprtave za

merjenje višine gladin

3

1.1. Uvod 3

1.2. Senzorji, ki izrabljajo

lastnost odboja svetlobe

3

1.2.1. Odbojni zakon 4

1.3. Senzorji,ki izrabljajo

lastnost prenosa

svetlobe

4

1.4. Senzorji, ki izrabljajo

lastnost loma svetlobe

6

1.4.1. Lomni zakon 8

2.0. Kapacitivne naprave za


9

2.1. Gole kapacitivne sonde in

prevlečene sonde

11

2.2. Primer kapacitivnega

merilnika nivoja

14

3. 0. Induktivne naprave za


14

4.0. Literatura 16



1.0. OPTIČNE NAPRAVE ZA MERJENJE VIŠINE GLADIN

1.1 Uvod

Optični senzorji so senzorji, ki se posluţujejo vidnih ali infraedečih svetlobnih

ţarkov pri zaznavanju višine gladin kapljevin oziroma trdnih snovi. Senzorji

izrabljajo za meritve različne lastnosti svetlobe, kot so odboj, prenos ter lom

svetlobe. Uporabljajo se za merjenje višine gladin kapljevin,usedlin kakor tudi

trdnih snovi.

1.2. Senzorji, ki izrabljajo lastnost odboja svetlobe

Model brezdotikalne optične naprave, za merjenje višine gladin kapljevine, ki

izrablja lastnost odboja svetlobe, je prikazan na Sl. 1. Ţarek svetlobe je iz

svetlobnega vira usmerjen na gladino kapljevine ali trdne snovi, od koder se odbije

nazaj do zaznavala, ki je občutljiv na svetlobo in je locirano na isti višini kot vir

svetlobe.

Sl. 1: Optčni senzor za merjenje višine gladin-odboj svetlobe



1.2.1. Odbojni zakon

Odbojni zakon pravi, da je vpadni kot svetlobe enak odbojnemu kotu pri zrcalnem

odboju. Odbiti ţarki leţijo v isti ravnini kot ţarek, ki ji pravimo tudi vpadna ravnina.

Večino površin ni idealnih gladkih, kar povzroča, da odbita svetloba vsebuje del

zrcalnega kakor tudi del razpršenega odboja.

1.3. Senzorji,ki izrabljajo lastnost prenosa svetlobe

Ko svetloba, prehaja po začrtani razdalji v kaplevini, je lahko intenzivnost zaznane

svetlobe na zaznalu uporabljena za določanje koncentracije trdih delcev snovi v

kaplevini, ter za merjenje višine gladin usedlin ali usedlinskih plavajočih vmesnih

plošč. Senzor je lahko uporabljen kot točkovno občutljivo zaznavalo ali kot

zaznavalo višine gladin usedlin. Inštrument, ki ga prikazuje Sl 2 uporablja optično

zaznavalo za določanje vloţka med nizko netekočo na površju plavajočo fazo, ter

visoko trdno ustaljeno ali mirujočo brozgo.

Sl. 2: Optično zaznavalo za določanje usedlin

Določeni modeli so prnosljivi. Zaznavalo je opremljeno z 9 m kablom, tako, da lahko

operator spušča zaznavalo v kapljevino, dokler meja med kapljevino in usedlino ni

zaznana. Točnost naprave te vrste je, 25 mm, če predpostavljamo, da je mera



odčitana pravilno. Pri poţiralnikih, gibljivih zgoščevalnikih, ter napravah za čiščenje

odpadnih vod, je velikokrat potrebno izmeriti višino gladine in globino usedline ali

usedlinsko plavajočo ploščo. Večina the posod je opremljena s potujočimi strgali.

Sl. 3 prikazuje, kako je optična naprava za merjenje usedlin, uporabljena v takih

primerih.

Sl. 3: Naprava za merjenje višine gladin usedlin



1.4. Senzorji, ki izrabljajo lastnost loma svetlobe

Načelo delovanja je lom infrardeče ali vidne svetlobe, kadar je prizma potopljena v

kapljevino. Svetlobni ţarek je usmerjen ob cilindrični prosojni prizmi, ki ima

poševnico 450

pri osnovi. Razpršilne prizme temeljijo na spremembah lomnega

količnika. Prizma ali povratni reflektor predstavlja desno kotno prizmo kot

prikazuje spodnja slika.

Sl. 4: Desnokotna prizma



Ko kapljevina ni prisotna, se ţarek odbije nazaj po prizmi do svetlobnega zaznavala.

S tem, ko se višina gladine kapljevine dvigne in prekrije vrh prizme, se indeks

odboja-loma poveča in svetloba se razprši po kaplevini. To zmanjša jakost svetlobe,

ki jo prejme svetlobno zaznavalo, kar povzroči vklop stikala.

Sl. 5: Zaznavalo višine gladin, ki izrablja lom svetlobe

Občutljiva je za spremembo višine gladin do 1,6 mm, deluje pri temperaturi od -900

C do 1200

C. Ne zahteva električne napeljave v posodi in je zato lahko uporabljen

tudi v primerih, ko imamo opravka z vnetljivimi kapljevinami, ne sme pa biti

uporabljen, ko imamo opravka z raznimi premazi in utrjevalniki. V primeru, da na

nsenzorju, tudi po zniţanju višine gladine, še vedno ostanejo kapljice, lahko stikalo

upošteva višjo višino gladine. Zaradi tega je uporaba omejena na čiste nepremazne

snovi.

Uporablja pa se tudi sistem optičnih vlaken. Tudi ta naprava izkorišča lom svetlobe.

Svetlobni ţarek potuje skozi optična vlakna, kadar na optičnem vlaknu ni kapljevine,

bo imel povratni ţarek isto intenzivnost kot izvorni ţarek. Kadar pa kapljevina

prekrije optično vlakno, se indeks odboja poveča in dopušča svetlobi, da se razprši

po kapljevini. S tem se zmanjša jakost povratnega svetlobnega ţarka, ki ga prejme

svetlobno zaznavalo, kar ima za posledico vklop stikala.



Sl. 6: Merilnik višine gladin, ki uporablja optična vlakna

1.4.1. Lomni zakon

Če svetloba prehaja iz snovi z lomnim količnikom n1 v optično gostejšo snov, to je za

n2 > n1, se lomi k vpadni pravokotnici (lomni kot je manjši od vpadnega, β < α). Pri

prehodu v optično redkejšo snov pa se lomi proč od nje (β > α).

n1 · sin(α) = n2 · sin(β) (1)



2.0. KPACITIVNI NAPRAVE ZA MERJENJE VIŠINE GLADIN

Kapacitivna metoda, ki temelji na električnih lastnostih medija, pri tej

metodi je največkrat uporabljeno mirjenje s kapacitivno sondo. Uporabna je

za prevodne in neprevodne medije (tekočine in sipke material) in temelji na

spremembi dialektričnosti ali na spremembi efektivne površine

kondenzatorjevih plošč.

Sl.7: Izvedba za neprevodne medije



Sl.8: Izvedba za prevodne medije

Ena plošča kapacitivnega tokokroga, je lahko ploskev konduktivne-pevodne

gole sonde, druga plošča pa je lahko ozemljena in prevodna stena posode. Ko

dovajamo v tokokrog izmenični tok gre tok najprej v eno smer, nato v drugo,

kondenzator pa se napolni najprej na eno polariteto, nato pa na drugo. Kar

zadeva ampermeter, gre izmeniţni tok skozi neprevodnik-dielektrik med

ploščama. Zaradi izmeničnega toka, se atomi dialektrika najprej polarizirajo

najprej v eno smer , nato v drugo. Ko frekvenca dovajane napetosti raste,

lahko doseţemo točko, ko nekateri atomi niso dovolj hitri, da bi se vrnili in

zato se dialektrična konstanta zniţa. Zaradi tega, drţimo frekvenco

izmeničnega toka konstantno na vrednosti, pri kateri še ne pride do

omenjenega pojava

Velikost kondenzatorja je funkcija fizičnih dimenzij kondenzatorja (D,d,X) in

dialektrične konstante snovi (K) med dvema ploščama.

(2)



Ce- skupna kapacitivnost,

K- dialektrična konstanta snovi med polščama,

X- dolţina aktivnega dela sonde,

D- notranji premer posode,

d- zunanji premer gole sonde.

Sl.9: Kapacitivni tokokrog pri golih sondah

2.1. Gole kapacitivne sonde in prevlečene sonde

Ko vgradimo, golo kapacitivno sondo v konduktivno prevodno posodo, izoliramo

sondo od posode. Ta sonda predstavlja eno ploščo kondenzatorja, medtem ko

posoda predstavlja drugo. Snov izolatrorja, izberemo tako, da odgovarja

temperature in tlaku v posodi, snov za sondo pa se mora zoperstaviti

korozijskim pogojem v procesu. Ko narašča višina gladine v posodi, se iz

procesne snovi izločajo tlaki z dialektrično konstanto blizu 1.0, kar povzroča

povišanje skupne kapacitivnosti (Ce) sistema, po kateri lahko ocenimo tudi

višino gladine.



Sl.10: Gola kapacitivna sonda

(3)

Ce- skupna kapacitivnost,

C1- lastna kapacitivnost izolatorja

C2-kapacitivnost parnega prostora,

C3- kapacitivnost procesne snovi,

Ka- dialektrična konstanta parnega prostora,

Kp-dialektrična konstanta procesne snovi,

R- efektivna upornost med sondo in posodo,

D- notranji premer posode,

d- zunanji premer gole sonde.

L- višina posode,

l- višina gladine v posodi

Za merjenje višine gladine prevodnih kapljevin ali trdnih snovi, ki se lahko

zmočijo, uporabljamo izolirane sonde. Pogosto jih uporabljamo, na samo za

meritve višine gladin prevodnih snovi, kapljevin, pač pa tudi za merjenje

neprevodnih snovi, kot so ogljikovodiki,razne raztopine,itd. Pri tipičnih



kapacitivnih sondah, prevlečenih s teflonom, je notranji prevodnik električno

izoliran s teflonsko prevleko od sondinega mašilnika in je tako izoliran od

zunanjega prevodnika, ki je stena kovinske posode, na katerega je privit

mašilnik.

Sl.11: Prevlečena kapacitivna sonda

Sl.12: Teflonska sonda in njena vgradnja



2.2.Primer kapacitivnega merilnika nivoja

Princip merjenja nivoja temelji na merjenju kapacitivnosti med dvema

kabloma, ki prosto visita od sonde na vrhu, do dna cistern. Pri tem principu ni

nobenih gibljivih delov, kar zagotavlja zanesljivo delovanje preko vse

ţivljenske dobe.

3.0. INDUKTIVNE NAPRAVE ZA MERJENJE VIŠINE GLADIN

Ta merilnik nivoja deluje na principu zveznega spreminjanja induktivnosti v

odvisnosti od višine tekočine v posodi.

Spremembo induktivnosti doseţemo s spreminjanjem dolţine ţeleznega jedra(lFe

)

vzdolţ tuljave (navitja).

= (4)



Sl.13: Tuljava s premičnim ţeleznim jedrom

V tem principu merjeno veličino ( induktivnost ) še ustrezno ojačimo in prikaţemo.

1- Posoda, 2- Posoda nivoja, 3- Plovec z ţeleznim jedrom, 4- Navitje, 5- Ventil, 6-

Ojačevalnik, 7- Prikazovalnik

Sl.14: Merjenje nivoja s plovcem in induktivnim prenosom



4.0. Literatura

Kosovel Marko, Primerjava merilnih metod za merjenje višine gladin

kapljevin(1999)

Ronald Pintar, senzorji, merjenje nivoja tekočin, diplomska naloga(1998)

www.navis-elektronika.com

Wikipedija

http://www.navis-elektronika.com/

Documents

SEMINARSKA NALOGA Merjenje višine gladinlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar...kapacitivnih sondah, prevlečenih s teflonom, je notranji prevodnik električno izoliran