Разработка электроемкостного метода неразрушающего контроля уровня жидких сред связана с созданием электромагнитных преобразователей, позволяющих локализовать электрические поля на желаемом участке контролируемой жидкой среды. Однако решение данной задачи сопровождается рядом явлений, значительно ограничивающих использование всех возможностей электроемкостного способа относительной точности и нормативности. Результатом проверенного аналитического исследования на получение максимальной информативности чувствительности была выбрана конструкция коаксиального преобразователя уровня. Учитывая, в реальных условиях зависимость диэлектрической проницаемости жидкости ε_ж от изменения температуры и ее химического состава, в нижней части преобразователь уровня дополнен компенсационным конденсатором 3, являющийся как бы продолжением внутреннего цилиндрического электрода 1. Внешний электрод 2 продолжен до полного перекрытия компенсационного электрода 3. Компенсационные электроды находятся постоянно в исследуемой жидкости и предназначены для коррекции выходного сигнала уровнемера при изменении диэлектрической проницаемости жидкости ε_ж.
Поскольку пространство под исследуемой жидкой средой всегда является загрязненным парами исследуемой жидкости, Т_0 диэлектрическая проницаемость будет отличаться от воздуха, поэтому применен второй компенсационный электрод 4, расположенный над рабочим конденсатором. Взаимное расположение электродов фиксируется проходными изоляторами. Погрешность выходного сигнала при повышенных рабочих частотах и длинных электродах (l≤10м) преобразователя уровня может быть вызвана нарушением эквипотенциальности поверхности электродов. Неравномерность мгновенного напряжения вдоль электродов преобразователя, и падением напряжения на активном сопротивлении электродов. Обычно длина волны намного больше длины электродов преобразователя.
Волновые явления начинают сказываться при длине волны соизмеримой с длиной электродов преобразователя. Так при постоянной рабочей частоте длина волны уменьшается с ростом диэлектрической проницаемости жидкости. В этой связи наибольшее влияние волновых процессов соответствует полному погружению электродов преобразователя в жидкую среду с наибольшей величиной ε_ж. Предполагается именно это наихудшее условие. В результате проведенных исследований было получено уравнение относительной погрешности:
δC_э=(4π^2 ε_ж l^2 f^2)/(3c^2 ) (1)
Где l – длина электрода; f – рабочая частота.
Значение δC_э - зависит от ε_ж , но в большей степени от частоты f – величин могущих меняться в процессе работы. Желательно, чтобы погрешность δC_э была весьма мала. Этого достигают выбором частоты f. Задаваясь максимальной допустимой погрешностью δC_мах, из неравенства δC_э≤δC_мах, получить условие выбора частоты (1)
f≤83/l √((δC_эmax )/ε_ж )*〖10〗^3 (2)
В (2) частота в кГц, если длина электрода l=10 м, ε_ж=81; δC_мах=〖10〗^(-3) имеем f= 29,2 кГц.
Неэквипотенциальность электродов преобразователя за счет их омического сопротивления так же начинает сказываться, т.к. реактивное межэлектродное сопротивление уменьшается и может быть соизмеримым с активным сопротивлением электродов. Оценим возможную погрешность от этой эквипотенциальности.
Влиянием неэквипотенциальности электродов преобразователя уровня можно пренебречь R_э≪Х_р. Для этого достаточно, чтобы R_Э⁄X_p ≤〖10〗^(-3). Определим, при какой частоте это соотношение для преобразователя (Рис 1.) при межэлектродном расстоянии d. Величина R_Э=(2lρ_Э)⁄(πr_1^2.) Здесь ρ_Э - удельное сопротивление материала электродов. Реактивное сопротивление Х_р=1⁄(ωС_м=1/2πf) С_м. Здесь С_м - максимальная емкость преобразователя, соответствующая полному погружению электродов в жидкую среду. Для преобразователя (Рис.1) емкость равна:
С_м=(2πε_ж l)/(ln(1+d/r_1 ))
Из соотношения R_Э⁄X_p ≤〖10〗^(-3) находим условие, ограничивающее рабочую частоту
f≤(r_1^2 ln(1+d/r_1 ))/(ρ_Э l^2 ε_ж ) (3)
Частота 1 кГц, если ρ_Э в Ом*м. При r/l=〖10〗^(-4) и l=10 м, d⁄(r_1=10) и ε_ж=81, ρ_Э=1,6*〖10〗^(-8) Ом*м, получим f=185 кГц. Если при расчетах учесть спин-эффект, то f_max=185/3, т.е. не должна превышать несколько десятков кГц для исключения не эквипотенциальности электродов.
