Nivå fra A til Å 5:16

Kapasitiv nivåmåling

Kapasitive målesystemer kan benyttes som grensevakt, grensesjikt- og kontinuerlig nivåmålinger av væsker og faste stoffer.

Kapasitive nivåmåler gjør jobben i mange ulike applikasjoner, men betinger at mediets egenskaper er stabile.
Kapasitive nivåmåler gjør jobben i mange ulike applikasjoner, men betinger at mediets egenskaper er stabile. (Bilde: GE Healthcare)

Kapasitive målesystemer kan benyttes som grensevakt, grensesjikt- og kontinuerlig nivåmålinger av væsker og faste stoffer.

Nivå fra A til Å

Automatiserings artikkelserie ”Nivå – fra A til Å” dekker nivåmåling i industrielle applikasjoner.

Artikkelen om kapasitiv nivåmåling er utviklet i tett samarbeid med instrumenteringsleverandøren Endress+Hausers norske spesialister innen nivåmåling, Pål Thorkildsen, Frank Berg Halvorsen, Tore Sandvoll og Knut Nordrum.

Men, pass på at mediets elektriske egenskaper, for eksempel fuktighetsnivå, er stabile.

Kondensator

Ved kapasitiv nivåmåling virker tanken/siloen på samme måte som en kondensator. Endringer i mediets nivå forandrer ”kondensatorens” elektriske egenskaper, og benyttes som et uttrykk for høyden.

”Kondensatoren” formes av veggen i tanken og en vertikal probe/sonde i hele måleområdet. Ved en betongsilo kan armeringsjernet virke som den ene kondensatorplaten og proben som den andre. I plasttanker kan det for eksempel monteres en stålstang på utsiden, vertikalt langs veggen.

Universell

Kapasitiv nivåmåling kan altså brukes både som grensevakt og kontinuerlig nivåmåling. Teknologien kan også benyttes til grensesjiktmåling (”interface”) mellom to produkter, for eksempel olje og vann. Men, kapasitiv nivåmåling er best egnet der det er et klart skille mellom produktene.

Teknologien kan brukes i væsker og fast stoff. Den er også godt egnet for aggressive medier, ettersom målestaven normalt er teflonbelagt. Probene leveres helisolert (heldekt med teflon) eller delisolert. For kontinuerlig nivåmåling benyttes helisolert probe for å hindre kapasitiv kortsluttning.

Pass på temperaturen, slike teflonbelagte, kapasitive prober tåler gjerne maksimum 200 grader C. Men, det finnes keramiske versjoner for høye temperaturer.

Ved i gangkjøring må det kalibreres med tom silo for nullpunkt (4 mA ved strømsløyfe) og full silo, 100 prosent (20 mA). Ved bruk av digital feltbuss blir kalibreringen selvsagt 0 og 100 prosent.

Stabilt medie!

Siden vi har lik avstand og samme mediet, vil måling/kapasitansen være lineær mellom disse punktene. Endres mediet, dvs. en annen dielektrisk konstant, vil dette gå utover nøyaktigheten, dersom det ikke kalibreres på nytt. Det er derfor viktig å ha det samme mediet i tanken/siloen hele tiden. Ta for eksempel en sandsilo – den kan ha både tørr og våt sand, noe som vil påvirke nøyaktigheten i målingen.

Les også artikkelen Merkelige medier, som dekker medienes egenskaper og deres betydning for valg av riktig måleutstyr.

Ved grensedeteksjon (interface) kalibreres vakten først i luft, og deretter dekket av mediet.

Når det måles nivå i for eksempel liggende, sylindriske tanker med væske, er det ikke samme avstand til veggen. I slike tilfeller kan tankveggens ”kondensatorplate” erstattes med et rør rundt proben/sonden.

Kapasitiv nivåmåling blir brukt i de fleste bransjer som næringsmiddel, mineraler, forproduksjon, sand, kjemisk og petrokjemisk industri. Ved grensedeteksjon innen sand/bulk brukes ofte en ”wire-versjon” med lodd i enden. Er det ikke stålsilo, men betong , bør det jordes mot armeringesjernet.

Kapasitiv nivåmåling er fortsatt mye benyttet. Men for kontinuerlig nivåmåling har prinsippet fått hard konkurranse fra ”guidet” radarmåling i stang eller wire.

Måleprinsippet

Prinsippet er basert på endring i kapasitansen (evnen til å oppta elektrisk ladning) for en kondensator. Kondensater er gjerne små komponenter som benyttes for å lagre elektrisk energi, og brukes i elektronisk og elektrisk utstyr. En enkel kondensator består av to ledende plater, separert med en isolator, eller mediet, kjent som dielektrikum. Mediet har en viss dielektrisk konstant. Den dielektriske konstanten er et uttrykk for mediets evne til å oppta elektrisk ladning. Kapasitansen for platekondensator er gitt av følgende formel:

                        -2

C= § x 8,84x10   x A

      ---------------------

                  d

  • C = kapasitansen for en kondensator i pF (piko Farad)
  • A = arealet av platen i cm2
  • d = avstanden mellom platene
  • §= relativ permittivity av det dielektriske mediet

Likningen viser at når avstanden mellom platene (d) og arealet (A) er konstante, er det kun endring av relativ permittivity (§) som påvirker kapasitansen. Per definisjon er den relative konstant (§) for luft satt til 1.

Kapasitansendringer

Alle andre medier har §> 1. Kapasitansen vil alltid være høyere med proben helt dekt eller delvis dekt av mediet enn når det kun er luft tilstede. Nivåmålingen er basert på endring av denne kapasitansen. Siden avstanden er konstant og mediet er det samme, er det kun endring av nivået, dvs. arealet, som endrer kapasitansen.

Denne ”kondensatoren” er plassert i en høyfrekvent vekselstrømkrets (AC, Alternating Current). Endring av tanknivå blir omgjort til et elektrisk signal. Den elektriske strømmen gjennom kretsen er direkte proporsjonal med kapasitansen. Endringer i kapasitansen blir videre omgjort til et spenningssignal. I en forsterker blir spenningsvariasjonen, eller frekvensvariasjonen, konvertert til et analogt signal ved kontinuerlig måling - eller en rele-funksjon ved grensedeteksjon. Forsterkeren, eller elektronikkinnsatsen (ocillator), leveres med ulike frekvenser. Valg av frekvens bestemmes blant annet av mediets ledningsevne og om det er grensedeteksjon eller kontinuerlig måling.

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå