Название: Основы проектирования приборов и систем : сборник лабора-торных работ (Шивринский, В. Н.)

Жанр: Информационные системы и технологии

Просмотров: 3526


2. поверхностный датчик емкостного уровнемера

Измерение количества топлива часто сводится к измерению его уров- ня. Количество топлива и его уровень связаны между собой функциональ- ной зависимостью, определяемой формой топливного бака.Таким топливомерам свойственны методические погрешности, вы- званные наклонами объекта, ускорениями, а также изменением объема то- плива при изменении температуры. На транспорте широкое применение нашли поплавковые и емкостные уровнемеры топлива. Емкостные уров- немеры проще по конструкции, их датчики меньше по размерам и не имеют подвижных частей. Температурная методическая погрешность ем- костных уровнемеров несколько меньше, чем поплавковых, так как с уве- личением температуры объем топлива увеличивается, а диэлектрическая проницаемость топлива уменьшается.Емкостный уровнемер состоит из датчика (или нескольких датчиков), расположенного вертикально в топливном баке по всей его высоте, блока измерения и указателя. Датчик представляет собой конденсатор, электро- ды которого выполняются в виде коаксиальных металлических труб, па- раллельных прутков и др.Цилиндрические датчики нашли широкое применение в авиационных топливомерах. Однако при измерениях загрязненных сред, в потоках жид- кости, в труднодоступных местах, при отсутствии квалифицированного обслуживания могут быть большие погрешности и даже отказ в работе прибора. Для уменьшения влияния указанных факторов в работе [11] предлагается конструкция поверхностного датчика, в котором электроды конденсатора находятся внутри диэлектрика, а измеряемая жидкость – снаружи (рис. 2.1).Рис. 2.1. Поверхностный емкостный датчик: 1 – отрицательный электрод;2 – положительный электрод; 3 – твердый диэлектрик; 4 – топливо

При расчете таких датчиков можно использовать математическую мо- дель электрического диполя [15]. Характерным для напряженности поля диполя является то, что оно убывает с расстоянием от диполя как 1/r3, т. е. быстрее, чем напряженность поля точечного заряда (убывающего как 1/r2). Электростатическое поле графически изображают при помощи силовых линий (линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности Е) и эквипотенциальных поверхностей (геометрического места точек с одинаковыми потенциалами).Вокруг любых источников электростатического поля можно провести бесконечное множество эквипотенциальных поверхностей. Обычно их проводят так, чтобы разности потенциалов между любыми двумя сосед- ними эквипотенциальными поверхностями были одинаковыми.В каждой точке эквипотенциальной поверхности вектор напряженно- сти поля перпендикулярен к ней и направлен в сторону убывания потен- циала. На рис. 2.2 изображено плоское сечение электростатического поля диполя. Пунктиром показаны силовые линии, сплошными линиями – се- чение эквипотенциальных поверхностей.Рис. 2.2. Плоское сечение электростатического поля диполяЕмкость такого датчика можно также подсчитать, используя модель двухпроводной линии [6] для которой:C = ol/ln(d/r1),        (2.1)здесь d – расстояние между осями проводов, r1 – их радиус,l – длина.

В лабораторной работе исследуется датчик, в котором электроды рас- положены внутри изоляционного слоя. Электроды датчика образуют па- раллельно  соединенные  конденсаторы,  обкладки  которых  подключены к измерительной схеме таким образом, что заряды на них чередуются. Так как зазор между электродами не заполняется жидкостью, он не засоряется и остается постоянным.На рис. 2.3 представлены продольный (а) и поперечный (б) разрезы исследуемого поверхностного емкостного датчика. Датчик содержит элек- троды 1 и 2, расположенные внутри изоляционного слоя 3, заполняющего все межэлектродное пространство.Рис. 2.3. Исследуемый поверхностный емкостный датчикЭлектроды 1 и 2 образуют плоский конденсатор: h, t – длина и толщи- на электродов; d – расстояние между электродами; W – ширина электро- дов; b1, b2 – толщина изоляционного слоя между электродами 1, 2 (с одной и другой стороны), соответственно, и жидкостью 4. Изменение емкости датчика пропорционально измеряемой глубине погружения X электродов.Анализ результатов экспериментального исследования макетов датчи- ка показывает, что при составлении эквивалентной схемы необходимо учитывать следующие емкости (рис. 2.4): C1  – емкость между электрода- ми 1 и измеряемой средой 4; C2  – емкость между электродами 2 и изме-

ряемой средой 4; C3 – емкость между электродами 1, 2 внутри диэлектри-ка 3; C4 – емкость, обусловленная измеряемой средой 4.Рис. 2.4. Составляющие емкости поверхностного датчикаТогда эквивалентную схему датчика можно представить в виде после- довательно соединенных емкостей C1, C4, C2, параллельно которым под- соединен конденсатор C3 (рис. 2.5).Рис. 2.5. Эквивалентная схема поверхностного датчикаОбычно C1 = C2. Емкость C4  изменяется в зависимости от уровня топ- лива.  Чтобы  уменьшить  собственную  емкость  датчика  нужно  умень- шать C3. Чтобы приращение ΔC стремилось к приращению ΔC4  (макси- мально возможная чувствительность датчика), необходимо увеличивать емкости  C1, C2.  Для  этого  нужно  увеличивать  ширину  электродов  W и уменьшать толщину изоляционного слоя b1 = b2.Емкость C3 уменьшается при уменьшении общей толщины диэлектри-ка (b1 + b2 + t) и увеличении зазора d между электродами.Исследуемый поверхностный датчик построен по схеме рис. 2.3 с ши- риной электродов W = 2 мм, расстоянием между ними d = 6 мм, толщиной электродов t = 0,05 мм, толщиной изоляционного слоя между электродами и жидкостью b1 = b2 = 1,5 мм. Ширина датчика 42 мм, толщина 3 мм.В качестве материала использовался двухсторонний фольгированныйстеклотекстолит, а также стеклотекстолит СТЭФ (высоковольтный, высо-кочастотный,  tg = 0,0030,005,   = 10111012 Омм),  склеенные  универ-

сальным эпоксидным клеем «ЭДП». Измерительная схема (размещена на печатной плате в верхней части внутри датчика и имеет экраны с двух сторон) представлена на рис. 2.6.Рис. 2.6. Электрическая схема поверхностного датчика: D1, D2 – диоды 2Д522Б; C – конденсатор 68 нФ; R – резистор 100 кОм, CX – емкость датчикаСхема измерительной установки приведена на рис. 2.7.Рис. 2.7. Схема измерительной установки: С1 = 68 нФ;С2 = 1,0 мкФ; R1 = 47 кОм; R2 = 750 кОм; Rг = 50 ОмКонтрольные приборы: генератор Г5-75 (амплитуда импульсов поло- жительной полярности 9,999 В, скважность 2); вольтметр В7-34А (предел измерения =10 В, или =100 В для U>10 В, n*T1, n = 2 нажатия); линейка,цена деления 1 мм.Задание 4Провести исследования поверхностного датчика уровня жидкости:1) определить амплитудно-частотную характеристику сухого датчика в диапа-зоне частот от 50 до 250 кГц;2) провести измерения и построить статическую характеристику датчика (зави-симость выходного напряжения Uвых от уровня жидкости Х, f = 100 кГц);3) определить амплитудно-частотную характеристику датчика полностью по-груженного в жидкость в диапазоне частот от 50 до 250 кГц.Построить графики амплитудно-частотных характеристик для сухого и по- груженного датчика, а также статическую характеристику датчика Uвых  = f(X). Сделать выводы по результатам исследований.

3. Жидкостный датчик угла отклонения объекта от горизонтального положенияИсследуется жидкостный датчик [13], изображенный на рис. 3.1, 3.2. Датчик содержит втулку 6, общие электроды 1, 2, образующие герметич- ный корпус датчика; выходные электроды 3, 4, размещенные между об- щими электродами 1, 2 и изолированные от них и между собой изоляци- онной прокладкой 7; жидкий диэлектрик 5, заполняющий пространство между общими электродами 1, 2 и выходными электродами 3, 4, и зани- мающий половину объема внутренней полости датчика.Рис. 3.1. Горизонтальное (а) и наклонное (б)

 

 
положения жидкостного емкостного датчикаРис. 3.2. Разрез жидкостного емкостного датчика по сечению А-А рис. 3.1, аПринцип действия датчика состоит в измерении электрической емко- сти дифференциального конденсатора С1, С2, образованного общими элек- тродами 1, 2, выходными электродами 3, 4  и жидким диэлектриком  5. Емкость С плоского конденсатора с площадью взаимного перекрытия электродов S, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с ди- электрической проницаемостью , определяется выражением [21]C = S/d.    (3.1)

Поскольку величины  и S находятся в числителе уравнения (3.1), то емкость конденсатора С линейно зависит от  и S. Так как жидкий диэлек- трик 5 занимает половину объема внутренней полости датчика между об- щими и выходными электродами и имеет диэлектрическую проницае- мость отличную от диэлектрической проницаемости воздуха, то при на- клоне  датчика  будет  изменяться  площадь  перекрытия  электродов  1, 2 и 3, 4 в зазоре d, занимаемым жидким диэлектриком 5.Устройство работает следующим образом. При горизонтальном поло- жении  датчика  (рис. 3.1, а)  емкости  дифференциального  конденсатора С1, С2   равны между собой.  В зазоре d, занимаемым жидким диэлектри- ком 5, площадь перекрытия электродов 1, 2 и 3 равна площади перекрытия электродов 1, 2 и 4. При отклонении датчика от горизонтального положе- ния изменяются площади перекрытия электродов 1, 2 и 3, 4 в зазоре, за- нимаемым жидким диэлектриком 5.На   рис. 3.1, б  показано  расположение  выходных  электродов  3, 4 и жидкого диэлектрика 5 при наклоне датчика, когда площадь перекрытия электродов 1, 2 и 3 меньше площади перекрытия электродов 1, 2 и 4 в за- зоре, занимаемым жидким диэлектриком 5. В результате емкость диффе- ренциального конденсатора С1 будет меньше емкости С2. При наклоне датчика в обратном направлении емкость С1 будет больше емкости С2.Изменение дифференциальной емкости С1, С2 пропорционально изме-нению угла наклона датчика относительно горизонтального положения. Если жидкий диэлектрик занимает половину объема внутренней полости датчика, при этом втулка 6 и изоляционная прокладка 7 имеют кольцевую форму, а выходные электроды 3, 4 имеют форму полукруга, то такой дат- чик будет иметь линейную характеристику в диапазоне углов 900.В датчике можно использовать любой жидкий диэлектрик со стабиль- ными свойствами в заданном диапазоне рабочих температур, например, полиметилсилоксановую жидкость ПМС-10. Прокладку 7 можно, напри- мер, выполнить из фторопласта. Схема лабораторной установки приведе- на на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема лабораторной установки: D1D4 – 2Д522Б; DA1, DA2 –КР574УД1А; C1, C2 – емкости датчика; C3, C4, C5 – 68 нФ; C6 – 180 пФ;C7 – 0,47 мкФ; C8 – 0,33 мкФ; C9 – 2,2 мкФ; R1, R2, R7, R8 – 100 кОм; R3 – 24 кОм;R4, R12 – 470 кОм; R5, R6 – 4,7 кОм; R9 – 15 кОм; R10 – 10 кОм; R11 – 2 кОмАддитивная составляющая погрешности датчика устраняется за счет дифференциального  включения  емкостей  датчика  С1, С2    в  емкостно- диодную измерительную схему, подобную схеме [9], размещенную непо- средственно в датчике угла наклона. На операционном усилителе DA1 вы- полнен генератор частотой примерно 100 кГц; с операционного усилителя DA2 снимается выходной сигнал датчика Uвых в виде напряжения постоян- ного тока в диапазоне ±10 В. Питание лабораторной установки осуществ- ляется напряжением постоянного тока ±15 В.Контрольные приборы: вольтметр В7-34А (предел измерения =10 В,или =100 В для U>10 В, n*T1, n = 2 нажатия); поворотная установка с но-ниусом 03600, цена деления 6'.Задание 5Провести исследования датчика угла отклонения объекта от горизонталь-ного положения:1) определить  статическую  характеристику датчика  (зависимость  выходного напряжения Uвых от угла отклонения );2) выполнить 20 измерений, поочередно устанавливая датчик на заданную пре-подавателем отметку слева и справа.Разработать программу обработки результатов наблюдений на ЭВМ и оп- ределить среднее арифметическое значение, дисперсию и доверительный ин- тервал для заданной преподавателем доверительной вероятности.

Построить статическую характеристику датчика Uвых = f(). Сделать выво-ды по результатам исследований.4.