VDI VDE 3519 Blatt 9-2012 Level Measurement - Capacitve and admittance methods.pdf

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1、ICS 17.060, 23.020.10, 55.220 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2012 December 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Fllstandmesstechnik Kapazitiv- und Admittanzverfahren Level measurement Capacitive and admittance methods VDI/VDE 3519 Blatt 9 / Part 9

2、Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) F

3、achbereich Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI-Handbuch Technische Logistik, Band 4: Schttgut-Frdertechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet/Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11.Ent

4、wurf, deutsch; VDI/VDE 3519Blatt2:2002-10Zu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Formereditions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE3519Part2:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2

5、Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 5 Kapazitiv- und Admittanzverfahren . 4 5.1 Messprinzip 4 5.2 Einsatzbereich 4 5.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 5 5.4 Messanordnungen 9 5.5 Messunsicherheiten 12 5.6 Berechnungsbeispi

6、ele. 14 Schrifttum 18 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols and abbreviations . 3 5 Capacitive and admittance methods . 4 5.1 Measurement principle 4 5.2 Application 4 5.3 Measurement method and measuring devices . 5 5.4 Measur

7、ement arrangements . 9 5.5 Measurement uncertainties 12 5.6 Calculation examples . 14 Bibliography 18 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 9 / Part 9 Alle Rechte vorbehalten Vere

8、in Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsw

9、eise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitge

10、wirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data

11、processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributo

12、rs to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fachaus-schuss Fllstandmesstechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllstandmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterung

13、en zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeignete Anwendung der Ver-fahren angegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Grundlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwimmerverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wge

14、verfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8 Widerstandsverfahren Blatt 9 Kapazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt 11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- und Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahr

15、en Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3519. Introduction This guideline was prepared by the “level meas-urement” committee of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control. The series of guidelines VDI/VDE 3519 descr

16、ibes the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provides information on the assessment of measurement methods and on appropriate appli-cation of these methods. The series of guidelines consists of the following parts: Part 1 Fundamentals Part 2 Visual methods Part 3 Float methods

17、Part 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing method Part 7 Measuring by retarding und restricting of movements Part 8 Electrical resistance methods Part 9 Capacitive and admittance methods Part 10 Heat dissipation method Part 11 Radiometric methods Part 12 Sound and ultras

18、ound methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3519. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie beschreibt die Fll-standmessung mit Kapazitiv- und Admittanzmess-verfahren

19、. Sie gilt nur zusammen mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This guideline describes level measurement using electrical resistance methods. It should be read in conjunction with Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368

20、C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 9 / Part 9 3 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VD

21、E 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandmesstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 3519 Part 1:2012-12 Level measurement; Fundamentals 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach

22、 VDI/VDE 3519 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and definitions as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen und Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit A Plattenfl

23、che m2b Plattenbreite M C elektrische Kapazitt F CAAnfangskapazitt F CDKapazitt der Sondendurch-fhrung F CSStreukapazitten F Czentrkonzentrische Zylinderkapazitt F C0Leerkapazitt des idealen Kondensators F C1Teilkapazitt 1 F C2Teilkapazitt 2 F C Kapazittsnderung F d, D Durchmesser m D/d Durchmesserv

24、erhltnis 1 f Frequenz Hz G elektrischer Leitwert S hbMessbereich des Fllstands m hxFllstand m L Plattenhhe (bei Plattenkon-densator) m L Zylinderlnge (bei Zylinder-kondensator) m LSSondenlnge m s Plattenabstand (bei Plattenkon-densator) m Y Admittanz 0Feldkonstante F/m rDielektrizittszahl 1 elektris

25、che Leitfhigkeit S/m Wellenlnge m 4 Symbols and abbreviations The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term Unit A plate area m2b plate width M C capacitance F CAinitial capacitance F CDcapacitance of the sensors feed-through F CSstray capacitances F Czentrconcentric cylindri

26、cal capacitance F C0capacitance of empty ideal capacitor F C1part-capacitance 1 F C2part-capacitance 2 F C change in capacitance F d, D diameter m D/d diameter ratio 1 f frequency Hz G conductance S hbmeasurement range of the level m hxlevel m L plate height (for parallel-plate capacitor) m L cylind

27、er length (for a cylindri-cal capacitor) m LSsensor length m s plate spacing (for parallel-plate capacitor) m Y admittance 0permittivity of free space F/m rrelative permittivity 1 conductivity S/m wavelength m B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF19

28、29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blatt 9 / Part 9 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5 Kapazitiv- und Admittanzverfahren 5.1 Messprinzip Das Kapazitiv- und das Admittanzmessverfahren beruhen auf der durch nderung des Fllstands hervo

29、rgerufenen Kapazittsnderung C in einer als Kondensator ausgefhrten Messanordnung, siehe Gleichung (1). ),(xhfC = (1) Das Dielektrikum ist im Wesentlichen der Messstoff mit der Dielektrizittszahl r, die sich aus dem Verhltnis der Dielektrizittskonstanten zur elektri-schen Feldkonstante 0= 8,8542 1012

30、F/m ergibt. In der Praxis wird fr Luft r= /0= 1 gesetzt. Die bei der Fllstandmessung verwendeten Kon-densatoranordnungen bestehen im Allgemeinen aus der kapazitiven Sonde (Elektrode) und einer Ge-genelektrode (Behlterwand) oder Masseelektrode (als Masserohr oder Massestab). 5.2 Einsatzbereich Das Ka

31、pazitiv- bzw. Admittanzmessverfahren ist zur Grenzwerterfassung, zur kontinuierlichen Mes-sung sowie zur Trennschichtmessung geeignet. Es kann fr elektrisch nicht leitende und leitende Fls-sigkeiten und Schttgter eingesetzt werden. Die Dielektrizittszahl ist abhngig von der: chemischen und physikali

32、schen Zusammen-setzung des Messstoffs Temperatur Schttdichte (bei Schttgtern) Feuchte (bei Schttgtern) Dies ist besonders bei kontinuierlicher Messung zu beachten, weil hierbei eine konstante Dielektrizi-ttszahl vorausgesetzt wird. Bei schwankender Dielektrizittszahl knnen segmentierte Elektroden ei

33、ngesetzt werden. Bei der Grenzwerterfassung sind diese Einflsse von untergeordneter Bedeutung. Es muss jedoch gewhrleistet werden, dass sich durch den Unter-schied der Dielektrizittszahlen von Gasphase und Messstoff eine gengend groe Kapazittsnde-rung ergibt, das heit, der Messstoff sollte eine Diel

34、ektrizittszahl r 1,4 aufweisen. Eine Auswahl von Dielektrizittszahlen rfr Fls-sigkeiten und Schttgter ist in den Tabellen im Anhang B von VDI/VDE 3519 Blatt 1 gegeben. Bei gut leitfhigem Messstoff (Leitfhigkeit 20 S/cm) geht die Dielektrizittszahl des Messstoffs nicht in das Messergebnis ein. Das Is

35、olationsmaterial der Sonde wirkt hier als Dielekt-rikum. 5 Capacitive and admittance methods 5.1 Measurement principle Capacitive and admittance measurement methods rely on the change in capacitance C in a device arranged as a capacitor, caused by a change in level; see Equation (1). ),(xhfC = (1) T

36、he dielectric is essentially the measured medium, with a relative permittivity r, equal to the ratio of its permittivity to that of free space 0= 8,8542 1012F/m. In practice, air is assumed to have the relative permittivity r= /0= 1. In general, the capacitor arrangements used in level measurement c

37、onsist of the capacitive sensor (elec-trode) and a counter-electrode (the tanks wall) or earth electrode (as an earthing tube or rod). 5.2 Application Capacitive and admittance methods are suitable for limit level detection, for continuous measurements and for interface measurements. They can be use

38、d for electrically conducting and non-conducting liquids and bulk solids. The relative permittivity depends on: mediums chemical and physical composition temperature bulk density (of bulk solids) humidity (of bulk solids) This is especially important in continuous meas-urements, since they assume a

39、constant relative permittivity. Segmented electrodes can be used where relative permittivity fluctuations occur. These effects are of minor importance in limit level detection. However, it needs to be ensured that the difference between the relative permittivities of the gas phase and of the medium

40、results in a suffi-ciently large change in capacitance, which means that the medium should have a relative permittivity r 1,4. A table of relative permittivities rfor liquids and bulk solids can be found in Annex B of VDI/VDE 3519 Part 1. Provided the medium is a good conductor (conduc-tance 20 S/cm

41、), its relative permittivity does not affect the result. The sensors insulation mate-rial acts here as a dielectric. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieur

42、e e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 9 / Part 9 5 Beim Admittanzmessverfahren bleibt eine Leitf-higkeit des Messstoffs ohne Einfluss auf die Fll-standmessung. Die Messwertaufnahme ist unabhngig vom Druck und von Druckschwankungen, sofern der Einfluss der Dielektrizittszahl der Gasphase vernachl

43、ssigt werden kann. Der Anwendungsbereich liegt bei Messbereichen bis zu 35 m, Drcken von Vakuum bis 525 bar und Temperaturen von 200 C bis 400 C. 5.3 Messverfahren und MesseinrichtungenErfasst wird die Kapazitt der Messanordnung. Diese setzt sich zusammen aus der konstanten Anfangskapazitt CA, siehe

44、 auch Gleichung (10), sowie der kapazitiven nderung C, aus der der Fllstandwert ermittelt wird. When using the admittance measurement method, the mediums conductance has no effect on the measurements result. The sensors operation is independent of the pres-sure and of pressure fluctuations, provided

45、 that the effect of the relative permittivity of the gas phase can be neglected. The scope extends to levels of up to 35 m, pres-sures from vacuum to 525 bar and temperatures from 200 to 400 C. 5.3 Measurement method and measuring devices The capacitance measured by the system is the sum of the cons

46、tant initial capacitance CA, see also Equation (10), and the capacitance change C, from which the level is determined. 5.3.1 Plattenkondensator Fr den Plattenkondensator gilt allgemein: 0r=ACs(2) Bei der Fllstandmessung ist im Allgemeinen nur ein Teil des Kondensatorzwischenraums mit dem Messstoff a

47、ls Dielektrikum ausgefllt, siehe Bild 1. Die dem jeweiligen Fllstand hxentsprechende Gesamtkapazitt C errechnet sich als Summe der zwei parallel geschalteten Teilkapazitten C1des gefllten und C2des leeren Kondensatorteils: 0r1 =xbhCs(3) 02()xbLhCs = (4) 5.3.1 Parallel-plate capacitor For the paralle

48、l-plate capacitor applies in general: 0r=ACs(2) When measuring levels, in general only part of the volume between the plates is filled with the me-dium, which acts as a dielectric; see Figure 1. The total capacitance C that corresponds to a par-ticular level hxis calculated as the sum of the two par

49、t-capacitances, C1of the full and C2of the empty capacitor part, arranged in parallel: 0r1 =xbhCs(3) 02()xbLhCs = (4) 0C2C1hxL0 rbsBild 1. Fllstand im Plattenkondensator Figure 1. Level in the parallel-plate capacitor B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stan