Емкостный зонд — устройство для измерения уровня жидкости. Емкостью называется способность материала накапливать электрическую энергию в виде электростатического поля. Основными деталями любого простейшего конденсатора являются проводниковые пластины, разделенные диэлектриком или изоляционным материалом.
Рекомендуем разобраться что такое уровень, а также обратить внимание на другие приборы для измерения уровня.
Принцип работы емкостных зондов
Емкость является функцией трех параметров: площади поверхности пластин, расстояния между пластинами и электрической прочности диэлектрика. Какое-либо изменение любого из этих параметров приведет к изменению параметра емкости.
В системе, в которой для измерения уровня задействован параметр емкости, может быть использован один или ряд зондов. Один или несколько зондов работают по принципу работы пластин конденсатора; диэлектриком является воздух и находящаяся в емкости жидкость, которая обычно является плохим проводником электрического тока. По мере изменения высоты уровня жидкости меняется только один параметр — это электрическая емкость диэлектрического материала, находящегося между зондами. Электрическая емкость изменяется по мере того, как зонды контактируют с большим или меньшим объемом жидкости, которая обладает большей электрической прочностью, чем воздух.
На рисунке выше изображена упрощенная схема системы, измеряющей уровень жидкости, которая плохо проводит электрический ток, системы с двумя емкостными зондами. Итак, на рисунке изображена система, которая включает в себя два зонда, подключенные в свою очередь к положительному и отрицательному проводу источника постоянного тока; и прибора, который измеряет изменения емкости. Установленные зонды на определенном расстоянии друг от друга, и спущены они в емкость на одинаковую глубину. В том месте, где зонды выходят через верхнюю плоскость емкости, имеется изоляция для каждого зонда.
Поскольку жидкость в данном примере является плохим проводником, положительные заряды будут концентрироваться на одном зонде, отрицательные на другом. Объем зарядов на тех частях зондов, которые погружены в жидкость будет больше, чем объем зарядов оставшейся в воздухе части зондов, поскольку по сравнению с воздухом жидкость является лучшим диэлектриком. Противоположные заряды на зондах притягиваются, и на основе этого между ними образуется электростатическое поле. Область самого сильного поля находится там, где зонды контактируют с жидкостью.
Уровень жидкости в емкости повысился. По мере повышения уровня увеличивается область контакта зондов с жидкостью, на зондах скапливается больший заряд, и электростатическое поле становиться более сильным. Прибор показывает увеличение емкости, которая имеет место в результате повышения уровня жидкости.
Для системы в этом примере изменение величины емкости прямо пропорционально изменению величины уровня. Поэтому приборы, предназначенные для измерения уровня, могут быть откалиброваны на непрерывное измерение уровня. В системах определения уровня с уставками имеются цепи, приводящие в действие систему сигнализации или осуществляющие какие-либо другие коррекционные действия для существующих уровней.
В некоторых системах, в которых для измерения уровня задействована электроемкость, используется только один зонд. Емкостной зонд без изоляционного покрытия, закрепленный в верхней плоскости резервуара; сам резервуар подсоединен электрической проводкой к источнику постоянного тока и выступает в роли одной из пластин «конденсатора». Зонд с изоляционной оболочкой обычно состоит из трубчатой металлической оболочки, окружающей внутренний металлический стержень. Поднимаясь вверх, жидкость попадает между стержнем и оболочкой. В зонде такого типа, стержень играет роль одной пластины конденсатора, а оболочка — второй пластины конденсатора.