静電容量式の測定原理

タンクの配管からは、日々実にさまざまな測定物が充填されては排出されます。これには飲用水、フルーツジュース、オイル、燃料、酸、塩水などがあります。これらの測定物にはまったく異なる特性を持つものもあるため、それを検出する測定原理もそれぞれに異なります。たとえば、静電容量式の測定原理に基づくレベル測定です。

最古のコンデンサは、1745年のEwald Georg von KleistとPieter von Musschenbroekまで遡ります。1775年にはAlessandro Voltaが現在のコンデンサの原型とされる改良型のコンデンサを発明しました。彼に敬意を表し、電圧のSI単位はボルトと呼ばれます。その後のMichael Faradayによる電磁誘導の発見は、コンデンサの発明とともに静電容量式の計装機器応用の基礎となった電界の発生を容易にしました。Faradayに敬意を表し、静電容量のSI単位はファラッドと呼ばれます。

静電容量式のレベル計は、特に液体のリミット検知および連続レベル測定に使用されます。その測定原理はコンデンサの静電容量の変化に基づきます。連続測定を例にこの測定方法の仕組みについて詳しく見てみましょう。2つの不均等な電荷を帯びた物質の間の空間を電界と呼びます。この空間では、一方の電荷がもうひとつの電荷に力を及ぼします。電界の大きさと方向は力線で表されます。交流電圧を平板コンデンサに接続すると電流が流れます。電流は、空気や測定物など、プレート間の誘電体媒体によって異なります。絶縁測定物が変化すると比誘電率が増加して平板コンデンサの静電容量が増加し、電流も増大します。

さらに、電流フローは距離やプレートの大きさの影響を受けることがあります。コンデンサのこれらの特性が静電容量式レベル測定の測定原理の基礎となります。導電性のタンク内壁とタンク内のプローブがコンデンサを形成し、その静電容量の変化を利用してレベルを測定します。静電容量の測定では、導電性液体と非導電性液体が区別されます。一般的に水ベースの液体である導電性液体の測定は以下のように行われます。

測定物がタンク内壁からプローブの絶縁材への短絡を発生させます。したがって、測定値は測定物から取得したプローブの絶縁静電容量によってのみ得られます。これにより、タンク形状や測定物の比誘電率に依存しない安定した測定が可能です。タンク内のレベルが上昇すると、比例してコンデンサの面積が増大します。測定された静電容量の変化を使用してレベルを測定します。

一般的には油または溶剤などの非導電性液体では、空気よりも測定物の比誘電率が高いため、静電容量の変化が生じます。非導電性の測定物が、タンク壁に直列に接続された追加のコンデンサとして働き、これが全体の静電容量を決定します。タンク内のレベルが上昇すると、比例してコンデンサの面積が増大します。測定された静電容量の変化を利用してレベルを測定しますが、測定物の比誘電率が高いため、レベルが上昇するにしたがって静電容量も増加します。

つまり、測定結果は測定物の比誘電率とタンク形状に影響されます。そのため、明確に定められた形状で、プレート間の距離を短くすることで測定効果が高まるグランドチューブプローブが主に使用されます。導電率が1 cmあたり100マイクロジーメンスを超える導電性測定物の場合、比誘電率やタンク形状の影響を受けにくいため、迅速な設定が可能で、工場で事前校正を行うことができます。一方、導電率が1 cmあたり1マイクロジーメンス未満の非導電性測定物の場合、測定物固有の比誘電率を考慮する必要があるため、お客様が校正する必要があります。

導電性測定物と非導電性測定物間の小さな遷移領域は臨界範囲と呼ばれます。この範囲では、測定物の導電率のわずかな変化で測定値が跳ね上がります。したがって、この導電率範囲での使用は避けるべきです。

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