Для проекта измерения уровня масла в баке турбины заказчик выбрал радиочастотный емкостной датчик уровня с коаксиальным стержневым зондом длиной 700 мм и изоляцией из ПТФЭ. Рабочие условия: 200 °C и 24 бар, выход 4–20 мА + HART и резьбовое соединение 1.5″ BSP.
Оценка, основанная на опыте применения, подтверждает, что радиочастотный емкостной датчик уровня, сконфигурированный с коаксиальным зондом и изоляцией из ПТФЭ, подходит для работы в условиях 200 °C. Однако перед началом реализации проекта необходимо провести окончательную проверку выходного сигнала и размера резьбы.
Ниже мы приводим технические характеристики радиочастотного емкостного уровнемера, включая тип датчика, материал изоляции, температурные и барометрические характеристики, выходной сигнал и технологическое подключение.
| Параметр | Рекомендуемая конфигурация нефтяных резервуаров |
| Тип зонда | Коаксиальный стержневой зонд (для большей дальности действия можно переключиться на коаксиальный кабельный зонд) |
| Материал зонда | нержавеющая сталь 316L |
| Изоляционный материал | ПТФЭ (термостойкость до 250°C) |
| Номинальные значения температуры/давления | Датчик рассчитан на температуру до 250°C; номинальное давление определяется проектом заказчика (в данном случае 24 бар). |
| Передающая головка | Добавьте секцию для отвода тепла или используйте выносной монтаж для работы с высокотемпературными средами. |
| Результат | 4-20 мА; HART опционально |
| Не подходит для | Сырая нефть, тяжелая нефть или продукты, содержащие шлам или склонные к сильному отложению отложений (вместо этого используйте метод радиочастотной проводимости). |
Емкостные радиочастотные уровнемеры измеряют уровень жидкости путем обнаружения изменений емкости между зондом и стенкой резервуара (или коаксиальной внешней трубкой); они поддерживают непрерывное измерение и могут также выдавать переключающие сигналы. Это контактный метод измерения, при котором зонд вставляется в среду, и в нем отсутствуют движущиеся части.
Для получения информации об основных принципах работы, классификации и распространенных областях применения емкостных датчиков уровня, пожалуйста, обратитесь к разделу «Что такое емкостные датчики уровня».
| Параметр | Параметр |
| Термостойкость зонда | −50~250℃ |
| Рейтинг давления | −0.1～32 МПа |
| Температура окружающей среды | −20~60℃ |
| Температура хранения | −55℃～+125℃ |
| Выходной сигнал | 4–20 мА, 4–20 мА с HART-связью, связью 485, связью по шине CAN. |
| Напряжение питания | 12–28 В постоянного тока |
| Методы монтажа | Резьбовое крепление: M20×1.5, M27×2. Фланцевое крепление: DN25, DN40, DN50. Специальные характеристики могут быть изготовлены по индивидуальному заказу. |
| Тип зонда | Коаксиальный стержень, коаксиальный кабель, одиночный стержень, кабель |
| Смачиваемые материалы | нержавеющая сталь 316, 1Gr18Ni9Ti или ПТФЭ |
| Долгосрочная стабильность | ≤0.2% полной шкалы/год |
| Температурный дрейф | ≤0.02%FS/℃ (в диапазоне 0–70℃) |
| Степень взрывозащиты | Искробезопасный ExiaIIC T6, взрывозащищенный ExdIIC T5 |
| Рейтинг защиты | IP67 |
| Параметры искробезопасности | Ui: 28 В постоянного тока, Ii: 93 мА, Pi: 0.65 Вт, Ci: 0.042 мкФ, Li: 0 мГн |
В радиочастотном емкостном уровнемере зонд и внешний электрод (стенка резервуара или коаксиальная внешняя трубка) рассматриваются как две пластины конденсатора. Диэлектрической средой между пластинами является воздух и измеряемая жидкость.
По мере повышения уровня жидкости длина погруженного в жидкость зонда увеличивается, что приводит к увеличению емкости; наоборот, по мере понижения уровня емкость уменьшается. Схема обнаруживает это изменение емкости и, после температурной компенсации и коррекции линейности, выдает сигнал 4–20 мА или цифровой сигнал.
Формула емкости коаксиального зонда :
Рекомендуемый для нефтяных резервуаров коаксиальный зонд состоит из центрального стержня и внешней трубки; его емкость рассчитывается следующим образом:
C = 2πε₀εᵣL / ln(D/d)
C: Емкость
ε₀: Диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85 × 10⁻¹² Ф/м)
εᵣ: Относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами
L: Длина зонда
D: Внутренний диаметр наружной трубки
d: Внешний диаметр центрального стержня
Когда высота погружения зонда (общая длина L) равна h:
C = 2πε₀[εᵣ_oil · h + εᵣ_air · (L − h)] / ln(D/d)
Поскольку D и d определяются структурой зонда, емкость C линейно связана с уровнем жидкости h.
Изменение емкости, вызванное изменением уровня жидкости, пропорционально (εᵣ_oil − εᵣ_air); чем меньше разница в диэлектрической проницаемости между маслом и воздухом, тем слабее сигнал.
Относительная диэлектрическая проницаемость обычных сред
| Средний | Относительная диэлектрическая проницаемость εᵣ (приблизительно) |
| воздуха | 1.0 |
| Минеральные масла (турбинное масло, моторное масло и т. д.) | 2.1-2.4 |
| Вода - Water | 80 |
Разница в диэлектрической проницаемости между маслом и воздухом составляет всего около 1, тогда как разница между водой и воздухом приблизительно в 80 раз больше; это объясняет, почему измерения в нефтяных резервуарах предъявляют более строгие требования к конструкции зонда.
Диэлектрическая постоянная масла незначительно изменяется с температурой и старением; поэтому перед отправкой с завода ее следует откалибровать по конкретному типу масла.
Емкостной ВЧ-датчик измеряет только емкость (C), тогда как проводящий ВЧ-датчик измеряет резистивную составляющую наряду с емкостью, то есть проводимость Y = G + jωC.
Основное различие заключается в конструкции зонда: в зонде для измерения радиочастотной проводимости имеется дополнительный экранирующий электрод, расположенный вне измерительного электрода, что позволяет исключить паразитную емкость, вызванную накоплением материала на зонде.
| Элемент сравнения | РЧ Емкость | Радиочастотный ввод |
| Измеренное количество | Емкость (С) | Проводимость (Y) (Проводимость G + Емкость C) |
| Структура зонда | Одиночный измерительный электрод: центральный измерительный стержень + слой изоляции из ПТФЭ; стенка резервуара или наружная труба служат вторым электродом. | Трехэлектродная композитная система: измерительный электрод + экранирующий электрод + наружная изоляция; корпус резервуара служит эталонным электродом. |
| Слой изоляции | Однослойный материал из ПТФЭ; служит одновременно изоляцией среды и емкостным диэлектриком. | Два слоя: один слой между измерительным и экранирующим электродами, плюс внешняя оболочка из ПТФЭ поверх экранирующего электрода. |
| Точность измерения | ±2–3% FS | ± 1% полной шкалы |
| Сопротивление накоплению материала | Плохое состояние; накопление жидкости интерпретируется как уровень жидкости. | Прочный; экранирующий электрод нейтрализует эффект накопления. |
| Номинальные температура и давление | Диапазон рабочих температур: от −50 до 250 °C. | от -100 до 500 °C; 20 МПа |
| Подходящие СМИ | Чистые жидкости со стабильной диэлектрической постоянной: турбинное масло, гидравлическое масло, нефтепродукты. | Высоковязкие, склонные к образованию отложений или содержащие осадок среды: сырая нефть, тяжелая нефть, суспензии, порошки. |
| Стоимость | Низкая | Высокая |
Следовательно, для чистых нефтепродуктов следует выбирать ВЧ емкостные зонды, тогда как ВЧ зонды с ВЧ датчиком уровня проводимости следует выбирать, если масло образует пленку на зонде, содержит примеси или образует пену.
Масло — среда с низкой диэлектрической постоянной (εᵣ ≈ 2), что приводит к слабому сигналу изменения емкости. В стандартных одностержневых зондах в качестве противоэлектрода используется стенка резервуара; однако, поскольку расстояние между электродами изменяется в зависимости от диаметра резервуара, а электрическое поле расходится, измерения в нефтяных резервуарах могут легко стать нестабильными.
Коаксиальные зонды имеют внешнюю трубку, окружающую центральный стержень, при этом внешняя трубка служит противоэлектродом:
Ограничения применения: Кольцевой зазор между внешней коаксиальной трубкой и центральным стержнем узкий. Этот зазор может быть забит средами с высокой вязкостью, содержащими твердые частицы или склонными к коксованию. Коаксиальные зонды подходят для чистых нефтепродуктов, таких как турбинное масло, гидравлическое масло и рафинированные нефтепродукты. Они непригодны для сырой нефти, тяжелой нефти или продуктов с остатками; для них следует использовать одностержневой зонд с ВЧ-проводящим сопротивлением.
Материал зонда: для турбинных масел и рафинированных нефтепродуктов выбирайте нержавеющую сталь 316L. 316L является предпочтительным выбором для серосодержащих или коррозионно-активных масел (она содержит молибден, что обеспечивает превосходную коррозионную стойкость по сравнению с 1Cr18Ni9Ti). В случаях сильной коррозии может быть выбрано полное покрытие из ПТФЭ.
Изоляционный слой, окружающий центральный измерительный стержень, служит диэлектрической средой между пластинами конденсатора.
Его термостойкость и стабильность размеров напрямую влияют на стабильность измерений. Выбор неправильного изоляционного материала является распространенной причиной погрешности измерений.
(1) ПТФЭ: Подходит для применения в турбинных маслах при температуре 200°C и давлении 24 бар.
ПТФЭ выдерживает длительную эксплуатацию при температурах до 250°C; при требуемых заказчиком значениях 200°C это обеспечивает запас прочности примерно в 50°C. Он химически стабилен и маслостойкий.
Недостатком ПТФЭ является ползучесть при низких температурах. Этот эффект становится более выраженным при высоких температурах и давлениях; поэтому уплотнительные секции из ПТФЭ в высокотемпературных и высоконапорных зондах требуют усиленной конструкции.
(2) Изоляционные материалы, непригодные для высокотемпературных нефтяных резервуаров
| Материал | Длительная рабочая температура (приблизительно) | Подходит для использования в масляном баке с температурой 200°C. |
| ПП (полипропилен) | 100 ° C | Не подходит; размягчается и деформируется. |
| ПЭ (полиэтилен) | 80 ° C | Неподходящий |
| ПВХ | 60 ° C | Непригодно; разлагается при высоких температурах. |
| FEP | 200 ° C | Отсутствует запас прочности; не рекомендуется. |
| PFA | 260 ℃ | Подходящий |
| PTFE | 250 ~ 260 ℃ | Рекомендованные |
(3) ПФА против ПТФЭ
PFA обладает термостойкостью, сравнимой с PTFE, но допускает обработку расплавом и обеспечивает более плотное покрытие; его часто используют для полного покрытия кабельных зондов, но он дороже, чем PTFE. Для стержневых зондов, используемых в системах с чистым турбинным маслом, PTFE отвечает всем требованиям и обеспечивает лучшую экономическую эффективность.
(1) Температурная стойкость смоченного наконечника зонда
Технические характеристики заказчика: средняя температура 200°C, давление 24 бар. Конфигурация: изоляция из ПТФЭ + датчик из нержавеющей стали 316L; допустимая температура 250°C.
В данном случае значение 200 °C соответствует спецификации, предоставленной заказчиком. Поскольку нормальная рабочая температура бака турбинного масла обычно ниже этого значения, выбранная модель учитывает это, включая запас прочности, основанный на расчетном значении.
(2) Температура головки передатчика (электрического конца)
Диапазон рабочих температур для головки передатчика составляет от −20 до 60 °C. При высокой температуре среды тепло передается от резервуара и зонда к головке передатчика; поэтому для предотвращения перегрева схемы необходимо использовать теплоотводящую секцию (удлиненное горлышко) или удаленную конфигурацию крепления.
(3) Сопротивление давлению
Выбор коаксиального зонда из ПТФЭ зависит от расчетного давления заказчика — в данном случае 24 бар. Способ герметизации зонда и номинальное давление должны быть подтверждены при составлении коммерческого предложения.
(1) Выходной сигнал
Стандартный выходной сигнал — двухпроводной, 4–20 мА. Выберите опцию 4–20 мА + HART, если требуется дистанционная настройка или получение диагностических данных. Для связи по протоколу HART требуется резистор нагрузки 250 Ом в контуре; напряжение питания следует рассчитывать исходя из нагрузки.
(2) Интерфейс крепления
Для крепления масляных баков обычно используется верхняя резьба или фланец. Стандартные резьбы включают M20×1.5 и M27×2; стандартные фланцы включают DN25, DN40 и DN50. Упомянутая в примере наружная резьба 1.5″ BSP (G1½) представляет собой нестандартный интерфейс, который может быть изготовлен на заказ.
(3) Параметры, необходимые для исследования
Блок 1: Топливный бак турбины
| Проект | Клиентские характеристики |
| Средний | Турбинное масло |
| Образец | Коаксиальный стержень, длина 700 мм. |
| Изоляция | PTFE |
| Температура / Давление | 200°C / 24 бар |
| Результат | 4-20 мА + HART |
| Исполнение | Резьба BSP 1.5 дюйма, наружная. |
В первоначальном запросе клиента были указаны только четыре параметра: тип датчика, изоляция, температура и давление. Мы уточнили параметры выходного сигнала и резьбы для крепления; после подтверждения мы предоставили конфигурацию, и клиент впоследствии запросил техническую документацию, включая чертежи с размерами.
Раздел 2: Резервуар для хранения проводящей жидкости
Две недели спустя тот же клиент отправил запрос на резервуар для хранения проводящей жидкости:
| Проект | Клиентские характеристики |
| Средний | Проводящая жидкость |
| Образец | Тип кабеля; длина измерительного участка 5000 мм, длина неизмерительного участка 200 мм. |
| Изоляция | ПФА/ФЭП; покрытие только по всей длине или на измерительном участке. |
| Материал зонда | Нержавеющая сталь 316/304; диаметр кабеля 4–6 мм |
| Выход / Источник питания | 4-20 мА + HART; 2-проводной, 24 В постоянного тока |
| Точность подачи | Точность ±0.5% или лучше; заводская калибровка в диапазоне 0–100% с использованием проводящей жидкости. |
| Прочее | Степень защиты IP65 или выше; цифровой дисплей; верхнее крепление; наружная резьба 1.5” BSP; количество: 8 шт. |
Почему два передатчика были сконфигурированы по-разному?
| Точка сравнения | Топливный бак турбины | Резервуар для проводящей жидкости |
| Средняя проводимость | Непроводящее вещество; само масло выступает в качестве диэлектрика конденсатора. | Проводящий; жидкость действует как заземленный противоэлектрод, а изоляционный слой служит диэлектриком конденсатора. |
| Тип зонда | Коаксиальный стержень: Масло имеет низкую диэлектрическую постоянную (приблизительно 2), что требует коаксиальной конструкции с фиксированным расстоянием между стержнями. | Тип кабеля: Проводящая жидкость обеспечивает сильный сигнал, поэтому коаксиальная конструкция не требуется; дальность действия 5 м упрощает транспортировку и установку кабеля такого типа. |
| Функция изоляционного слоя | Изоляционная среда и термостойкость | Определяет сам размер; вся длина должна быть без повреждений. |
| Изоляционный материал | ПТФЭ (200°C) | PFA / FEP (при комнатной температуре; оболочка кабеля более плотная) |
Американская компания, разрабатывающая оборудование для контроля перелива в жироуловителях предприятий общественного питания, поинтересовалась датчиками уровня пропускания радиочастотного сигнала.
Технология ВЧ-емкости непригодна для данного применения по следующим причинам:
В сравнении с баком турбинного масла в примере 1: для чистого масла выбрана ВЧ-емкость, а для применений, связанных с отложениями, мусором или пенообразованием, — ВЧ-проводимость.
Емкостные радиочастотные уровнемеры отличаются простой и экономичной конструкцией, подходящей для непрерывного измерения уровня в резервуарах с чистым маслом.
Ключевые критерии выбора включают: коаксиальный зонд, изоляцию из ПТФЭ, запас прочности по температуре и давлению, а также теплоотводящий корпус для применения в условиях высоких температур.
Характеристика технологии радиочастотного пропускания, предотвращающая образование отложений, не является необходимой для применения в системах с чистым турбинным маслом и лишь увеличит затраты на закупку; однако технология радиочастотного пропускания является предпочтительным выбором для резервуаров для хранения сырой нефти и тяжелых нефтей.
Для получения помощи в выборе или расчета стоимости емкостных уровнемеров, в том числе универсального интеллектуального емкостного уровнемера для нефтяных резервуаров, пожалуйста, предоставьте подробную информацию о среде, длине зонда, допустимых температурах и давлениях, выходном сигнале и способе крепления.
Чжан Вэй обладает 20-летним опытом работы инженером по автоматизированному контрольно-измерительному оборудованию, специализируясь на исследованиях, проектировании, установке, вводе в эксплуатацию и техническом обслуживании автоматизированных приборов.
Обладает опытом работы с различными протоколами связи приборов (такими как Modbus, Profibus и др.), имеет солидный опыт проектирования аппаратных схем и программирования программного обеспечения (владеет языком C и программированием ПЛК). Имеет обширный опыт работы над проектами; проекты, в которых он руководил и в которых принимал участие, достигли выдающихся результатов, повысив точность продукции, снизив затраты и увеличив эффективность производства.
Обладает превосходными коммуникативными и координационными навыками, а также сильным командным духом, что позволяет ему оперативно реагировать на потребности клиентов и предоставлять высококачественные решения в области автоматизации и контрольно-измерительной аппаратуры.