Tabella 6: Cliccare sulla figura per ingrandirla. I rilevatori di livello a capacità sono anche denominati sensori di livello a radiofrequenza (RF) o admittanza. Funzionano nella gamma delle basse frequenze radio MHz, misurando l'ammittanza di un circuito a corrente alternata (ac) che varia con il livello. L'ammittanza è una misura della conduttività in un circuito ac ed è il reciproco dell'impedenza. L'ammittanza e l'impedenza in un circuito ac sono simili alla conduttanza e alla resistenza in un circuito a corrente continua (dc). In questo capitolo verrà utilizzato il termine sensore di livello a capacità 
Figura 8-1: Cliccare sulla figura per ingrandirla. anziché RF o ammissione.
La tabella 6 elenca alcuni dei settori industriali e delle applicazioni dove vengono utilizzati i sensori di livello di tipo capacitivo.
Teoria di funzionamento
Un condensatore è costituito da due conduttori (piastre) isolati elettricamente l'uno dall'altro da un materiale non conduttivo (dielettrico). Quando i due conduttori hanno potenziali (tensioni) diversi, il sistema è in grado di immagazzinare una carica elettrica. La capacità di accumulo di un condensatore è misurata in farad. Come mostrato nella Figura 8-1, le piastre del condensatore hanno un'area (A) e sono separate da uno spazio (D) riempito con un materiale non conduttivo (dielettrico) di costante dielettrica (K). La costante dielettrica del vuoto è 1,0; le costanti dielettriche di una varietà di materiali sono elencate nella Tabella 7.
La costante dielettrica di una sostanza è proporzionale alla sua ammissione. Più bassa è la costante dielettrica, minore è l'ammissione del materiale (cioè, meno è la sua conduttività). La capacità (C) è calcolata come:
C=KA/D
Se l'area (A) e la distanza (D) tra le piastre di un condensatore rimangono costanti, la capacità varierà solo come funzione della costante dielettrica della sostanza che riempie lo spazio tra le piastre. Se una variazione di livello provoca una variazione del dielettrico totale del sistema di capacità, poiché (come illustrato nella Figura 8-1B) la parte inferiore dell'area (A) è esposta a un liquido (dielettrico Kl) mentre la parte superiore è a contatto con un vapore (dielettrico Kv, che è vicino a 1,0), la misurazione della capacità sarà proporzionale al livello.Nel caso di un interruttore di livello montato orizzontalmente (Figura 8-2), una sonda conduttiva forma una delle piastre del condensatore (A1) e la parete del serbatoio (supponendo che sia realizzata in materiale conduttivo) forma l'altra (A2). Per isolare la sonda conduttiva dall'alloggiamento, collegato alla parete del serbatoio, viene utilizzato un isolante con una bassa costante dielettrica. La sonda è collegata al sensore di livello tramite i fili conduttivi dell'alloggiamento. La misurazione viene effettuata
Figura 8-2: Cliccare sulla figura per ingrandirla. applicando un segnale RF tra la sonda conduttiva e la parete del serbatoio. Il segnale RF provoca un flusso di corrente minimo attraverso il materiale di processo dielettrico nel serbatoio dalla sonda alla parete del serbatoio. In caso il livello nel serbatoio scenda e la sonda venga esposta a vapori ancora meno conduttivi, la costante dielettrica diminuisce. Ciò provoca un calo nella lettura della capacità e un minimo
Figura 8-3: Cliccare sulla figura per ingrandirla. calo nel flusso di corrente. Questa variazione viene rilevata dai circuiti interni dell'interruttore di livello e tradotta in una variazione dello stato del relè dell'interruttore di livello. Nel caso dei rilevatori di livello continui (sonde verticali), l'uscita non è uno stato del relè, ma un segnale analogico scalato. L'area totale è l'area combinata della sonda del sensore di livello e dell'area della parete conduttiva del serbatoio (A = A1 + A2), mentre la distanza (D) è la distanza minima tra la sonda del sensore e la parete del serbatoio. Entrambi questi valori sono fissi. Pertanto, quando la sonda non è più circondata da vapori (K1), ma dal materiale di processo (K2), la variazione di capacità risultante è direttamente correlata alla differenza di costante dielettrica tra i due mezzi:
Variazione di C=(K2-K1)(A/D)
La sensibilità di un sensore di capacità è espressa in picofarad (pF). L'unità di misura della capacità è il farad, definito come il potenziale creato quando una batteria da un volt collegata a un condensatore provoca l'accumulo di un coulomb di energia elettrica. Un picofarad è un trilionesimo di tale valore e la sensibilità di un rilevatore di capacità accurato è pari a 0,5 pF. Si tratta della variazione minima rilevabile della capacità risultante da una variazione della costante dielettrica (K2 -K1).Nella maggior parte delle applicazioni di rilevamento del livello, il materiale di riferimento è l'aria (K1 = 1,0). La tabella 7 riporta i valori K2 di una varietà di materiali di processo. Man mano che la costante dielettrica del materiale di processo si avvicina a quella dell'aria (K2 per i pellet di plastica, ad esempio, è 1,1), la misurazione diventa più difficile.
Progettazione delle sonde
Il tipo di sonda più comune è un'asta in acciaio inossidabile con diametro di 1/4 o 1/2 pollice, adatta alla maggior parte dei materiali non conduttivi e non corrosivi. La sonda è isolata dall'alloggiamento e dalla parete del silo tramite un isolante a bassa costante dielettrica, come il nylon o il Ryton. Questi polimeri hanno una temperatura di esercizio massima di 175-230 °C (350-450 °F). La ceramica può essere utilizzata per applicazioni a temperature più elevate o se è richiesta resistenza all'abrasione. Per applicazioni in cui il materiale di processo è conduttivo e corrosivo, la sonda deve essere rivestita con PFA o Kynar.
Alcuni sensori di livello puntiformi sono disponibili con immunità all'accumulo o funzionalità di rifiuto del rivestimento. Ciò è necessario quando il materiale di processo è umido o appiccicoso e può causare un rivestimento permanente. L'immunità all'accumulo è garantita dall'aggiunta di una seconda sezione attiva della sonda e di un secondo isolante (Figura 8-3). Questa seconda sezione attiva (lo schermo pilotato) è pilotata allo stesso potenziale e alla stessa frequenza della sonda di misurazione. Poiché la corrente non può fluire tra potenziali uguali, la sonda di misurazione
Le sonde di capacità sono tipicamente rivestite con PFA (mostrato), Kynar o polietilene non rileva l'accumulo di materiale tra la sonda e la parete del serbatoio.
Le lunghezze di inserimento tipiche delle sonde di capacità standard variano da 7 a 16 pollici. Queste sonde sono in genere montate lateralmente (Figura 8-4A). Le sonde verticali possono essere estese con aste solide fino a una lunghezza compresa tra 1,2 e 1,5 m (da 4 a 5 piedi), oppure è possibile utilizzare un cavo d'acciaio con un peso.
Figura 8-4: Cliccare sulla figura per ingrandirla.
utilizzato per sospendere la sonda fino a 15 m (50 ft) (Figura 8-4B). La maggior parte dei sensori di livello a capacità sono dotati di connettori di montaggio NPT da 3/4 a 1- 1/2 pollici. Il raccordo femmina corrispondente è solitamente saldato alla parete del serbatoio e la sonda capacitiva viene avvitata nel connettore di accoppiamento. Sono disponibili anche sensori capacitivi a basso profilo (Figura 8-4C) che vengono montati su flangia.
Nelle applicazioni in cui il serbatoio è non conduttivo e non è in grado di formare il percorso di ritorno per il segnale RF, è possibile installare una seconda sonda posizionata parallelamente a quella attiva o una striscia conduttiva.
Elettronica e alloggiamenti
Il circuito elettronico della sonda svolge le seguenti funzioni: 1) raddrizzare e filtrare l'alimentazione in ingresso, 2) generare il segnale a radiofrequenza, 3) misurare le variazioni di flusso di corrente e 4) azionare e controllare dispositivi di interfaccia quali relè, generatori di segnali analogici e misuratori con display. I circuiti sono solitamente di tipo a stato solido e dotati di potenziometri per la regolazione della sensibilità e dei ritardi.
Poiché il sensore di livello aziona un dispositivo esterno, è consigliabile valutare la compatibilità del sistema in termini di numero di relè necessari, loro capacità, segnali analogici richiesti, ritardi e requisiti di alimentazione. Le unità più avanzate basate su microprocessori sono autocalibranti; la regolazione della sensibilità e dei ritardi avviene tramite pulsanti. Queste unità sono spesso dotate di funzione di autotest e compensazione della temperatura integrata.
I modelli più avanzati sono anche a due fili, a sicurezza intrinseca e forniscono a scelta un'uscita standard da 4-20 mA o un'uscita digitale potenziata utilizzando il protocollo HART (Highway
Tabella 7: Cliccare sulla figura per ingrandirla. Trasduttore remoto indirizzabile). L'accuratezza (compresi linearità, isteresi e ripetibilità, ma esclusi gli effetti della temperatura e della tensione di alimentazione) è tipicamente pari allo 0,25% dell'intervallo. L'intervallo minimo è di 4 pF e il limite superiore dell'intervallo (URL) è di 2.500 pF.
Gli interruttori di livello sono solitamente dotati di ritardi temporali per filtrare le letture errate causate da spostamenti di materiale o schizzi di liquidi. Inoltre, la caratteristica di selezionabilità fail-safe fornisce uno stato predeterminato per l'uscita del relè in caso di interruzione di corrente o malfunzionamento.
Gli alloggiamenti dei sensori sono generalmente realizzati in alluminio pressofuso, acciaio o materiali sintetici come il nylon rinforzato con fibra di vetro. La maggior parte degli alloggiamenti è adatta per installazioni all'aperto in ambienti polverosi o umidi.
La costante dielettrica
La costante dielettrica del materiale di processo è l'aspetto più importante dei dati di processo. Maggiore è la differenza tra le costanti dielettriche (del materiale di processo e dello spazio di vapore o tra i due strati nel caso di una misurazione dell'interfaccia), più facile sarà la misurazione. Se la differenza è bassa (K2-K1 < 1,0 nella Figura 8-2), è necessario utilizzare un design ad alta sensibilità (0,5 pF).
Ogni sensore ha una soglia di capacità
definita come la quantità di variazione di capacità necessaria per causare una variazione nell'uscita del sensore. La costante dielettrica di un materiale può variare a causa di variazioni di temperatura, umidità, densità apparente del materiale e dimensione delle particelle. Se la variazione della costante dielettrica determina una variazione di capacità superiore alla soglia di capacità calibrata del sensore, si otterrà una lettura errata. Questa condizione può essere generalmente corretta riducendo la sensibilità (aumentando la soglia di capacità) del sensore.
Come mostrato in relazione alla Figura 8-3, la sensibilità può essere aumentata aumentando la lunghezza della sonda (A) o diminuendo le dimensioni dello spazio (D). Una o entrambe le modifiche ridurranno al minimo l'effetto delle fluttuazioni della costante dielettrica o aumenteranno la sensibilità ai dielettrici bassi. Di solito è più pratico specificare una sonda più lunga piuttosto che diminuire la distanza (D) dalla parete del serbatoio. In questo caso, la sonda è installata lateralmente (Figura 8-4A), e D è fissa. Se la sonda è inserita dalla parte superiore del serbatoio, D può essere modificata (se altre considerazioni lo consentono) avvicinando la sonda alla parete del serbatoio.
Se lo stesso serbatoio contiene materiali diversi in momenti diversi, il sensore di capacità deve essere 
Figura 8-5: Cliccare sulla figura per ingrandirla.
dotato di capacità di ricalibrazione locale o remota.
I materiali con densità inferiore a 20 lb/ft3 e quelli con particelle di diametro superiore a 1/2 pollice possono rappresentare un problema a causa delle loro costanti dielettriche molto basse (dovute alla grande quantità di spazio d'aria tra le particelle). Queste applicazioni potrebbero non essere adatte alla misurazione del livello di tipo capacitivo.
Considerazioni sull'applicazione
I materiali conduttivi (liquidi a base acquosa con una conduttività di 100 micromhos/cm o superiore) possono causare un cortocircuito tra una sonda in acciaio inossidabile nudo e la parete del serbatoio. Quando il livello del liquido scende, la sonda rimane bagnata, fornendo un percorso conduttivo tra la sonda e la parete del serbatoio. Più veloce è il cambiamento di livello, più probabile è che si verifichi questa falsa indicazione. Si consiglia di utilizzare un rivestimento isolante in PFA o Kynar sulla superficie conduttiva della sonda quando il fluido di processo è conduttivo.
La temperatura influisce sia sui componenti del sensore all'interno del serbatoio (sonde attive e isolanti) e sui componenti di elettronica e sull'alloggiamento esterni. Una sonda attiva è tipicamente realizzata in Acciaio inox e, come tale (a meno che non sia rivestita), è adatta alla maggior parte delle applicazioni. Gli isolanti delle sonde possono essere in PFA, Kynar o ceramica e devono essere selezionati in base alla temperatura di esercizio dell'applicazione. L'alloggiamento e l'elettronica sono influenzati sia dalla temperatura interna che da quella esterna del serbatoio.
I limiti di temperatura ambiente sono solitamente specificati dal produttore, ma la conduzione di calore da un processo ad alta temperatura è più difficile da valutare. La conduzione di calore può essere ridotta utilizzando un giunto di montaggio esteso o uno realizzato con un materiale a bassa conduttività termica. Se tali metodi sono insufficienti, l'elettronica può essere montata fino a 20 piedi di distanza e collegata tramite cavo coassiale. La capacità intrinseca del cavo, tuttavia, riduce la sensibilità complessiva del sistema.
Gli alloggiamenti devono anche essere compatibili con i requisiti per ambienti pericolosi, soggetti a lavaggi, umidi e/o polverosi. Gli ambienti a prova di esplosione possono richiedere che l'alloggiamento sia certificato. Inoltre, la sonda attiva potrebbe dover essere a sicurezza intrinseca.
Se il materiale di processo è corrosivo per l'acciaio inossidabile, la sonda deve essere rivestita con Kynar o PFA per proteggerla. Il Ryton è una buona scelta per i materiali abrasivi, mentre per le applicazioni alimentari o sanitarie, l'acciaio inossidabile e il PFA sono una buona combinazione sonda-isolante.
Considerazioni sull'installazione
La sonda capacitiva deve essere montata in modo tale che il suo funzionamento non sia influenzato dal flusso di materiale in entrata o in uscita (Figura 8-5A). Gli urti del materiale possono causare letture errate o danni alla sonda e all'isolante. Quando si misurano materiali a bassa costante dielettrica, è importante che l'intera sonda sia coperta, non solo la punta (Figura 8-5C). Quando si utilizzano prolunghe a barra o a cavo, lasciare una copertura attiva della sonda di 8-12 pollici.
Installare la sonda in modo che non entri in contatto con la parete del serbatoio (Figura 8-5B) o con qualsiasi elemento strutturale del serbatoio. Se si utilizza una prolunga a cavo, lasciare spazio per l'oscillazione del cavo quando il livello del materiale nel serbatoio aumenta, in modo che il filo a piombo all'estremità del cavo non tocchi la parete del serbatoio. La sonda non deve essere montata dove il materiale possa formare un ponte tra la sonda attiva e la parete del serbatoio. Inoltre, la sonda non deve essere montata con un angolo verso l'alto (Figura 8-5D), per evitare l'accumulo di materiale.
Se nel serbatoio è montato più di un sensore di livello a capacità, è necessario garantire una distanza minima di 18 pollici tra le sonde (Figura 8-5E). Se la distanza è inferiore, i loro campi elettromagnetici potrebbero interferire. Se una sonda a capacità è installata attraverso la parete laterale di un serbatoio e il peso del materiale di processo che agisce sulla sonda è talvolta eccessivo, è necessario installare un deflettore protettivo sopra il sensore (Figura 8-4A).
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