ترانسمیتر سطح خازنی یا سطح‌سنج خازنی چیست و چگونه کار می‌کند؟

ترانسمیتر سطح خازنی (capacitive level transmitter) یا لول ترانسمیتر خازنی یا سطح‌سنج خازنی را می‌توان یکی از تجهیزات اندازه‌گیری غیرمستقیم سطح به شمار آورد. ترانسمیتر سطح خازنی را می‌توان در اندازه‌گیری سطح بسیاری از جامدات، محلول‌های آبی، مایعات ارگانیک و کیس‌های اسلاری مورد استفاده قرار داد. در مقالات قبلی وبلاگ پریسماتک ترانسمیترهای سطح فشار تفاضلی، راداری، گیج سطح شیشه‌ای و انواع سوئیچ‌های سطح را بررسی کردیم. در این مقاله ساختار و اصول کار ترانسمیترهای سطح خازنی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اصول کار ترانسمیتر سطح خازنی یا سطح‌سنج خازنی چیست؟

سطح‌سنج خازنی یا لول ترانسمیتر خازنی تجهیزی است که ظرفیت خازنی یک میله رسانا (Rod) را اندازه‌گیری می‌کند که به صورت عمودی درون یک مخزن قرار داده شده است. میله یا الکترود مانند یک صفحه خازن، دیواره مخزن مانند صفحه دیگر آن و سیال فرایند مانند دی‌الکتریک خازن عمل می‌کنند. با افزایش سطح سیال درون مخزن، ظرفیت خازنی بین میله و دیواره مخزن نیز افزایش می‌یابد و منجر به تغییر در خروجی ترانسمیتر سطح خازنی می‌شود. یک مخزن خالی ظرفیت خازنی کمتری دارد و خازن پر دارای ظرفیت خازنی بزرگی است. فرمول ظرفیت خازنی یک لول ترانسمیتر خازنی از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

C = εA /d

در رابطه فوق، C ظرفیت خازنی ترانسمیتر، ε ضریب دی‌الکتریک ماده بین صفحات، A سطح همپوشانی صفحات و d فاصله بین صفحات است. در تصویر زیر یک لول ترانسمیتر خازنی نشان داده شده است.

تغییر در ظرفیت خازنی را می‌توان با پل خازنی اندازه‌گیری کرد. در ترانسمیتر سطح خازنی، اندازه‌گیری از طریق اعمال یک سیگنال RF بین پروب رسانا و دیواره‌های مخزن انجام می‌شود. به همین دلیل این تکنیک گاهی به عنوان RF یا سیگنال‌های فرکانس رادیویی اعمال‌شده به مدار خازن نیز شناخته می‌شود. سیگنال RF باعث ایجاد یک جریان بسیار کم در سیال دی‌الکتریک فرایند از پروب به دیواره مخزن می‌شود.

زمانی که سطح سیال پایین بیاید، ثابت دی‌الکتریک نیز افت کرده و منجر به کاهش ظرفیت خازنی و افت جزئی جریان می‌شود. این تغییر توسط مدارات داخلی سطح‌سنج تشخیص داده می‌شود و به تغییر سطح متناظر تبدیل می‌شود. ظرفیت خازنی بین دیواره‌های فلزی مخزن و میله فرو رفته در مخزن یا ترانسمیتر سطح خازنی فقط زمانی تغییر می‌کند که یکی از فاکتورهای ثابت دی‌الکتریک، سطح صفحات و یا فاصله صفحات از همدیگر دچار تغییر شود.

اندازه‌گیری سطح سیالات رسانا

پروب‌های سطح‌سنج خازنی دارای دو نوع هستند: یک نوع مخصوص سیالات رسانا و نوع دیگر مخصوص سیالات نارسانا. اگر سیال درون مخزن رسانا باشد، یعنی ثابت دی‌‌الکتریک آن بزرگ‌تر از ۱۰ باشد، نمی‌تواند به عنوان دی‌الکتریک خازن مورد استفاده قرار گیرد. در نتیجه پروب ترانسمیتر سطح خازنی که برای سیالات رسانا طراحی شده باشد باید توسط پلاستیک یا سایر مواد دی‌الکتریک برای جلوگیری از اتصال کوتاه پوشانده شود. در این حالت، همانند تصویر زیر، پروب فلزی یک صفحه خازن و سیال رسانا صفحه دیگر را تشکیل می‌دهند.

در این نوع از پروب‌های سطح خازنی، ثابت دی‌الکتریک ε و فاصله d متغیرها هستند. سطح A ثابت است، زیرا سطح داخلی دیواره‌های مخزن و نیز ترانسمیتر درون مخزن پس از نصب ثابت باقی می‌ماند. پس تنها عوامل باقی‌مانده d و ε هستند که بر ظرفیت خازنی لول ترانسمیتر سطح تاثیر می‌گذارند. با افزایش سطح مایع، گاز با گذردهی پایین را جابه‌جا می‌کند و اساسا دیواره مخزن را به لحاظ الکتریکی به پروب نزدیک می‌کند. در نتیجه زمانی که مخزن پر باشد، ظرفیت خازنی کل ماکزیمم است. در واقع در این حالت ε بزرگ‌تر و فاصله موثر d مینیمم است.

اندازه‌گیری سطح سیالات نارسانا

در حالتی که سیال درون مخزن نارسانا باشد، یعنی ضریب گذردهی آن کمتر از ۱۰ باشد، می‌تواند خود به عنوان دی‌الکتریک مورد استفاده قرار گیرد. پس مانند تصویر زیر، دیواره‌های فلزی مخزن صفحه اول خازن و پروب ترانسمیتر سطح خازنی که در این حالت یک میله یا کابل لخت است، صفحه دوم خازن را تشکیل می‌دهند. در این فرم از پروب‌های سطح خازنی، متغیرهای موثر بر ظرفیت خازنی، ε و A هستند. البته سیال درون مخزن باید داری ضریب گذردهی بزرگ‌تر از گاز بالای مخزن باشد. زمانی که مخزن کاملا پر باشد، ظرفیت خازنی ماکزیمم و زمانی که مخزن خالی باشد، مینیمم است. اگر سیال نارسانا باشد، فاصله d ثابت و با فرض نصب لول ترانسمیتر سطح در مرکز مخزن، برابر با شعاع مخزن خواهد بود.

گذردهی سیال فرایند در ترانسمیترهای سطح خازنی مخصوص سیالات نارسانا یک متغیر بسیار مهم است و تنها در صورتی می‌توان به دقت بسیار خوب در این سطح‌سنج رسید که از مقدار ثابت دی‌الکتریک یا ضریب گذردهی سیال کاملا مطمئن بود. یک روش هوشمندانه برای اطمینان از دقت اندازه‌گیری سطح این لول ترانسمیترهای خازنی، زمانی که گذردهی ماده در طول زمان ثابت نباشد، این است که ترانسمیتر را در زیر نقطه LRV در مخزن که همیشه پوشیده یا غرق در سیال است، به یک پروب جبران‌ساز مخصوص مجهز کرد. گاهی به آن پروب ترکیبی می‌گویند.

چون این پروب همیشه پوشیده با سیال است و همواره A و d ثابتی دارد، در نتیجه ظرفیت خازنی آن فقط تابعی از ε سیال خواهد بود. این روش امکان اندازه‌گیری مداوم ثابت دی‌الکتریک سیال را فراهم می‌کند تا در محاسبه سطح سیال مبتنی بر ظرفیت خازنی پروب اصلی مورد استفاده قرار گیرد. داشتن پروب جبران‌ساز برای اندازه‌گیری و جبران‌سازی تغییرات ضریب گذردهی سیال در طول زمان مشابه با داشتن ترانسمیتر فشار سوم در سیستم‌های tankaging هیدرواستاتیک برای سنجش پیوسته و جبران‌سازی تغییرات چگالی است. در واقع، این کار روشی برای تصحیح تغییرات در یک متغیر باقی‌مانده سیستم است که به تغییر سطح وابسته نیست.

اندازه‌گیری پراکسیمیتی (Proximity) یا غیرتماسی

در اندازه‌گیری سطح مجاورتی یا پراکسیمیتی یا غیرتماسی سطح صفحات خازنی ثابت است، اما فاصله بین صفحات تغییر می‌کند. این روش اندازه‌گیری سطح منجر به تولید یک خروجی غیرخطی می‌شود و زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که سطح در حد چند اینچ تغییر کند.

اندازه‌گیری سطح جامدات

ترانسمیتر سطح خازنی یا سطح‌سنج خازنی ممکن است برای اندازه‌گیری سطح جامدات مانند پودرها و دانه‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد. در این کاربردها، معمولا ماده درون مخزن نارسانا محسوب می‌شود و در نتیجه ضریب گذردهی ماده فاکتور مهمی در دقت اندازه‌گیری خواهد بود. در واقع تغییرات رطوبت در ماده جامد و نیز تغییرات در سایز دانه‌ها می‌تواند بر گذردهی تاثیر بگذارد. در این حالت، پروب جبران‌ساز نیز مفید نخواهد بود، زیرا موقعیت آن (در کف مخزن) باعث می‌شود در معرض دانه‌های با سایز متفاوت و یا میزان رطوبت متفاوت نسبت به پروب اصلی قرار داشته باشد.

سطح‌سنج خازنی معمولا در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که نیاز به دقت خیلی بالایی نباشد. این تجهیز در معرض خطاهای ناشی از تغییر در ضریب دی‌الکتریک سیال، تغییر در گذردهی بخار فرایند و نیز خطای کاپاسیتانس سرگردان کابل‌های پروب قرار دارد.

مزایای لول ترانسمیتر خازنی

سنسور خازنی را می‌توان به نحوی طراحی کرد که سطح مواد با ثابت دی‌الکتریک کوچک در حد ۱.۱ (مانند خاکستر) و یا بزرگ‌تر از ۸۸ (مانند آب) را اندازه‌گیری کند. سطح لجن‌ها و دوغاب‌هایی مانند dehydrated cake و دوغاب فاضلاب (با ثابت دی الکتریک حدود ۵۰) و مواد شیمیایی مایع مانند آهک زنده (با ثابت دی الکتریک تقریبا ۹۰) نیز توسط ترانسمیتر سطح خازنی قابل تشخیص هستند.

برای اندازه‌گیری سطح interface بین دو مایع غیر قابل اختلاط با ثابت دی‌الکتریک‌های مختلف نیز می‌توان از ترانسمیترهای سطح خازنی با پروب دوگانه (Dual-probe) استفاده کرد. از آنجا که سطح‌سنج خازنی تجهیزاتی الکترونیکی محسوب می‌شوند، مدولاسیون فاز و استفاده از فرکانس‌های بالا می‌تواند ترانسمیتر سطح خازنی را برای کاربردهایی مناسب سازد که در آن‌ها ثابت‌های دی‌الکتریک سیالات مشابه هستند. از مزایای ترانسمیتر سطح خازنی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قیمت نسبتا ارزان
• چندکاربردی
• نیاز کم به تعمیر و نگه‌داری
• فاقد بخش متحرک
• نصب آسان و تطبیق با مخازن سایز متفاوت
• بازه اندازه‌گیری از سانتی‌متر تا ۱۰۰ متر
• قابلیت کاربرد در دما و فشار بالا

کاربرد لول ترانسمیتر خازنی

لول ترانسمیتر خازنی برای اندازه‌گیری سطح موارد زیر کاربرد دارد:

• مایعات
• پودرها و دانه‌های جامد
• فلزات مایع در دماهای بالا
• گازهای مایع‌شده (Liquefied) در دماهای بسیار پایین
• سیالات خورنده مانند اسید هیدروفلوریک
• فرایندهای صنعتی با فشار بالا

معایب ترانسمیتر سطح خازنی

مواد با چگالی پایین، کمتر از 20lb/ft³ و مواد با سایز بزرگ‌تر از ۱/۲ اینچ (قطر) به دلیل ثابت دی‌الکتریک بسیار کم آن‌ها که ناشی از وجود مقادیر زیاد هوا بین ذرات است، برای استفاده در ترانسمیترهای سطح خازنی مناسب نیستند.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

سوئیچ سطح یا لول سوئیچ و انواع آن

لول گیج یا گیج سطح چیست و چه انواعی دارد؟

فلومتر حرارتی جرمی

ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر ــ اصول کاری و انواع

ترموکوپل چیست؟

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی و کوریولیس

انواع کنداکتیویتی مترها