Tarkka pintamittaus on oleellista turvalliseen ja tehokkaaseen toimintaan teollisissa prosesseissa, joissa on mukana erilaisia väliaineita. Kapasitiivinen mittausperiaate tarjoaa monipuolisen ratkaisun täyttötason tunnistukseen ja jatkuvaan pintamittaukseen, etenkin vaativissa sovelluksissa.
Tämä periaate perustuu kapasitanssin muutoksille kahden elektrodin, tyypillisesti säiliön seinän ja anturin, välissä. Väliaineen pinnan muuttuessa elektrodien välinen dielektrinen väliaine muuttuu vastaavasti, mikä muuttaa kapasitanssia. Muutos havaitaan ja muunnetaan kytkentäsignaaliksi.
Kapasitanssin mittaus toimii johtokykyisissä ja johtokyvyttömissä nesteissä mukautuen kunkin väliaineen erityisominaisuuksiin. Se soveltuu korkeille lämpötiloille, korkeille paineille ja vaarallisille alueille, mikä tekee siitä vankan ja joustavan ratkaisun useilla eri aloilla.
Katso videolta, miten kapasitiivinen mittausperiaate toimii.
Liquicap, Liquipoint, Solicap ja Minicap yhdellä silmäyksellä:
- Yleinen sovellus nesteille ja kiintoaineille
- Luotettava mittaus väliaineessa ja väliaine, jossa on korkea viskositeetti
- Säiliön geometriasta riippumaton johtokykyisessä väliaineessa
- Anturit ovat yleisesti sovellettavissa
- Helppo käyttöönotto
Säiliöihin täytetään mitä erilaisimpia väliaineita ja ne tyhjennetään putkien kautta joka päivä. Esimerkkeinä juomavesi, hedelmämehut, öljyt ja polttoaineet, hapot tai suolavedet. Koska näillä väliaineilla voi olla täysin erilaisia ominaisuuksia, niiden havaitsemiseen on erilaisia mittausperiaatteita. Esimerkiksi pintamittaus kapasitanssiperiaatteen mukaan.
Vanhin kondensaattorimalli juontaa juurensa Ewald Georg von Kleistille ja Pieter von Musschenbroekille vuoteen 1745. Vuonna 1775 Alessandro Volta keksi parannetun kondensaattorin, jota pidetään nykyaikaisten kondensaattorien prototyyppinä. Hänen kunniakseen jännitteen SI-yksikköä kutsutaan voltiksi. Michael Faradayn keksimä sähkömagneettinen induktio helpotti sähkökenttien muodostumista. Yhdessä kondensaattoreiden keksimisen kanssa ne toimivat perustana kapasitanssimittalaitteiden soveltamiselle. Faradayn kunniaksi kapasitanssin SI-yksikköä kutsuttiin Faradiksi.
Kapasitiivisia pintamittauslaitteita voidaan käyttää pinnan tunnistamiseen ja jatkuvaan pintamittaukseen erityisesti nesteissä. Mittausperiaate perustuu kondensaattorin kapasitanssin muutokseen. Katsotaanpa tarkemmin, miten tämä mittausmenetelmä toimii jatkuvan mittauksen esimerkin avulla. Kahden epätasaisesti varautuneen kohteen välistä tilaa kutsutaan sähkökentällä. Tässä tilassa yksi sähkövaraus kohdistaa voiman toiseen sähkövaraukseen. Sähkökentän suuruus ja suunta on kuvattu kenttäviivoilla. Jos levykondensaattoriin kytketään vaihtojännite, virta kulkee. Virta riippuu levyjen välisestä dielektrisestä väliaineesta, esimerkiksi ilmasta tai väliaineesta. Muutos eristysväliaineessa aiheuttaa dielektrisyysvakion kasvun ja lisää kondensaattorin kapasitanssia ja siten myös virtaa.
Lisäksi levyjen etäisyys ja koko voivat vaikuttaa nykyiseen virtaan. Nämä kondensaattorin ominaisuudet muodostavat perustan kapasitiivisen pintamittauksen mittausperiaatteelle. Sähköä johtava säiliön seinä ja säiliön sisällä oleva anturi muodostavat kondensaattorin. Niiden kapasitanssimuutoksia käytetään pinnan määrittämiseen. Kapasitanssimittauksessa erotetaan sähköä johtavat nesteet ja johtamattomat nesteet. Mittaukset johtavissa nesteissä, jotka ovat normaalisti vesipohjaisia nesteitä, suoritetaan seuraavasti:
Väliaine muodostaa sähköisen oikosulun säiliön seinämästä anturin eristykseen. Siksi mittausvaikutuksen muodostaa vain väliaineesta saatu anturin eristyskapasitanssi. Tämä tarjoaa vakaan mittauksen, joka on riippumaton säiliön geometriasta ja väliaineen dielektrisyysvakiosta. Jos pinta nousee säiliössä, kondensaattorin pinta-ala kasvaa vastaavasti. Mitattua kapasitanssin muutosta käytetään pinnan määrittämiseen.
Johtokyvyttömien nesteiden, jotka ovat tavallisesti öljyjä ja liuottimia, kapasitanssin muutos johtuu väliaineen korkeammista dielektrisyysvakioista ilmaan nähden. Johtokyvytön väliaine muodostaa lisäkondensaattorin sarjaan kytkettyyn säiliön seinämään. Se määrittää kokonaiskapasitanssin. Jos pinta nousee säiliössä, kondensaattorin pinta-ala kasvaa vastaavasti. Mitattua kapasitanssin muutosta käytetään pinnan määrittämiseen ja se kasvaa pinnan noustessa väliaineen korkeampien dielektrisyysvakioiden vuoksi.
Mittaus riippuu siis väliaineen dielektrisyysvakiosta ja säiliön geometriasta. Siksi käytetään pääasiassa maaputkiantureita, joissa on määritelty geometria ja jotka lisäävät lisäksi mittaustehoa pienillä levyetäisyyksillä. Jos johtavien välineiden johtokyky on yli 100 mikrosiemensiä senttimetriä kohti, esikalibrointi voidaan tehdä tehtaalla, koska dielektrisyysvakio ja säiliö ovat riippumattomia, mikä helpottaa nopeaa käyttöönottoa. Johtamattomissa väliaineissa, joiden johtavuus on alle yksi mikroSiemens senttimetriä kohti, vastaava dielektrinen väliaine on kalibroitava asiakkaan toimesta.
Pientä siirtymäaluetta johtokykyisten ja johtokyvyttömien väliaineiden välillä kutsutaan kriittiseksi alueeksi. Tällä alueella minimaalinen muutos väliaineen johtokyvyssä johtaa mitatun arvon harppaukseen. Tämän johtokykyalueen sovelluksia tulee siksi välttää.
Endress+Hauserin mittalaitteet mahdollistavat kapasitiivisen mittausperiaatteen mukaisesti pinnan rajapinnan sekä pinnan mittaamisen nesteissä ja kiintoaineissa, myös sovelluksissa, joissa lämpötila tai paine on korkea, sekä räjähdysvaarallisilla alueilla. Meillä on kaikkiin käyttötarkoituksiin sopiva ratkaisu. Endress+Hauser.
