Ёмкостный преобразователь Лекция
Емкостный преобразователь Действие емкостных преобразователей основано на преобразовании входной величины в изменение емкости конденсатора, которая является функцией расстояния l между электродами, площади электродов S и диэлектрической проницаемости диэлектрика между электродами C = F(l, S, ). Емкостные ИП могут быть использованы для измерения любых физических величин, которые функционально связаны с l, S и (перемещений, силы, геометрических размеров - толщины, уровня и др. ).
Емкостный преобразователь Между двумя пластинами плоского конденсатора находится диэлектрик. Диэлектрик может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Ёмкость конденсатора l l , где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε 0 ≈ 8, 84· 10 -12 Ф / м – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластин; l – расстояние между ними.
Уравнение преобразования ЕИП перемещения, основанного на изменении расстояния между электродами, имеет нелинейную (гиперболическую) функцию преобразования С (х) = 0 S/ (l 0 + х). l 0 - расстояние между пластинами при отсутствии входной величины;
ЕИП с цилиндрическими электродами Чаще всего ЕИП выполняется с цилиндрическими электродами и используется для измерения уровня неэлектропроводной жидкости в резервуаре С = 2 0 х/ln(D/d).
Преобразователь с изменением площади S между пластинами, предназначенный для измерения угла поворота вала Подвижная пластина 1, вал скреплённая с валом 3, поворачивается относительно неподвижная неподвижной пластины 2. При подвижная пластина этом изменяется площадь S между пластинами, а расстояние между ними остаётся неизменным. Изменение площади ΔS пропорционально изменению угла поворота вала относительно некоторого начального положения. Функция преобразования ЕИП угловых перемещений имеет линейную зависимость от : С ( ) = С 0 + k 0 /l, где k - коэффициент, определяемый размерами электродов
ЕИП с изменением положения диэлектрика Функция преобразования С(х) = С 0 [1 + ( - 1) х/a], где С 0 = С(0) = + 0 ab/h.
Дифференциальные емкостные преобразователи X Угловое перемещение оранжевый цвет – корпус из изоляционного материала. Линейное перемещение
Емкостный преобразователь При работе на синусоидальном токе модуль реактивного сопротивления конденсатора , где ω = 2πf – круговая частота переменного тока, протекающего через ёмкость.
Измерительная цепь с емкостными преобразователями Основная измерительная цепь с емкостными преобразователями – неравновесный мост переменного тока, имеющий особенности : 1. Мост необходимо питать от генераторов высокой частоты (100 к. Гц… 10 МГц) , т. к. значения емкостей у емкостных преобразователей небольшие: обычно это 10… 100 п. Ф. Их емкостное сопротивление даже на средних частотах в несколько килогерц очень велико. 2. С малой рабочей ёмкостью преобразователя соизмеримы паразитные ёмкости между соединительными проводами, они могут существенно исказить результаты измерений, если не принять меры по тщательной экранировке.
Неравновесный мост с дифференциальным ЕИП 3 У Ск, 3 1 C 2 Cк, 1 Ск, 2 R 3 R 1 R 2 2 R 1 = R 2 R 4 C 3 ~ 1, 2 и 3 -экраны трёх кабелей Ск, 1 , Ск, 2, Ск, 3 - распределённые ёмкости кабелей, т. е. ёмкости между экранами-оплётками и соответствующими центральными жилами Резисторы R 3 и R 4 служат для уравновешивания моста при исходном значении измеряемой величины, воздействующей на С 1 - С 2 (уравновесить мост переменного тока одной регулировкой нельзя!).
ЕИП для измерения уровня жидкости 1 Центральный стержень 2 - труба С h hmax жидкость 2 R 1 изолятор 2 R 2 C 1 C 2
ЕИП для измерения уровня жидкости При изменении h изменяется объём диэлектрика. У конденсатора С 1 диэлектриком служит жидкость, уровень которой измеряется, а конденсатор С 2 – воздушный. Ёмкость конденсаторов С 1 и С 2 определяется выражениями: где ε – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости (в формуле для С 2, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха принята равное единице). С = С 0 + С 1 Общая ёмкость C = C 1 + C 2 Зависимость С(h) линейна.
ЕИП для измерения толщины диэлектрической ленты Лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками конденсатора 3. Уравнение преобразования записывается как С = S/[(h - х)/ 0 + х)/ Л], где S - площадь обкладок; h - зазор между обкладками; x – толщина ленты; Л - диэлектрическая проницаемость материала ленты.
Погрешности ЕИП 1) Погрешности, обусловленные зависимостью емкости преобразователя от внешних условий. Изменение температуры приводит к изменению диэлектрика и к изменению площади электродов и расстояния между ними при изменении температуры. Площадь S для большинства ЕИП определяется линейными размерами 10 -100 мм, и изменение этих размеров дает пренебрежимо малую погрешность. Расстояние между электродами обычно составляет 10 мкм-1 мм и его изменение под действием температуры может привести к большой погрешности. Эта погрешность может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.
Погрешности ЕИП (продолжение) 2) Погрешность, обусловленная паразитными токами утечки. Номинальная емкость ЕИП обычно составляет единицы - сотни пикофарад. На низких частотах сопротивление преобразователя достигает больших значений, что приводит к возникновению погрешности, обусловленной паразитными токами утечки. Для уменьшения этой погрешности увеличивают частоту напряжения питания до нескольких килогерц, и даже мегагерц.
Погрешности ЕИП (продолжение) 3)Погрешность, обусловленная влиянием паразитных емкостей между электродами и заземленными деталями конструкции, между жилой соединительного кабеля и его заземленным экраном. Причем параметры кабеля могут изменяться. Для уменьшения этой погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи преобразователя.
Достоинства ЕИП : 1) принципиальное отсутствие шумов, в отличие от резистивных и индуктивных ИП; 2) отсутствие самонагрева; 3) простота конструкции, малая масса и габариты; 4) возможность соответствующим выбором формы электродов получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным линейным или угловым перемещением 5) малую силу притяжения электродов; 6) возможность применения как для статических, так и для динамических измерений.
Недостатками емкостных преобразователей являются: 1)малая емкость и высокое выходное сопротивление преобразователя; 2) зависимость результата измерения от изменения емкости кабеля
Применение ЕИП Емкостные уровнемеры широко применяют для сигнализации и дистанционного измерения уровня однородных жидкостей в различных объектах в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Емкостные датчики-реле РОС 101 Предназначены для контроля уровня электропроводных и неэлектропроводных жидкостей, твёрдых (сыпучих) сред, зерна и продуктов его размола, а также раздела сред: вода — светлые нефтепродукты, сжиженные углеводородные газы — вода и других жидкостей с резко отличающимися диэлектрическими проницаемостями в стационарных и корабельных условиях, а также для эксплуатации на АЭС.
Скачать презентацию Ёмкостный преобразователь Лекция Емкостный преобразователь Действие емкостных
Лекция 19 Емкостные преобразователи.pptx