Раздел 2. Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конден­сатор, ёмкость которого изменяется под действием измеряе­мой неэлектрической величины.

Емкость плоского конденсатора можно выразить следую­щей формулой:

(4.4)

где e - диэлектрическая проницаемость среды между об­кладками (для воздуха электрическая постоянная e₀= 8,85×10^-12 Ф/м); S - площадь обкладки в м², d - расстояние между обкладками в м.

Из формулы (4.4) видно, что емкость конденсатора зависит от трех величин (e, S и d). Следовательно, измеряемая не­электрическая величина может быть функционально связана либо с e, либо с S, либо с d, либо с диэлектрическими потеря­ми конденсатора. Поэтому устройство емкостных преобразо­вателей может быть самым различным.

Применение. Для измерения уровней жидких и сыпучих тел используется цилиндрический или плоский конденсатор; для измерения малых перемещений, быстроизменяющихся сил и давления – дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками.

Емкостные преобразователи используются в таких приборах, как емкостной уровнемер, толщиномер, дифференциальный измеритель силы, измеритель угла поворота, измеритель влажности.

Рассмотрим принцип действия емкостных преобразователей на примере емкостного уровнемера.

Емкостный уровнемер

Емкостный уровнемер, принципиальное устройство кото­рого показано на рис. 4.12, представляет собой коаксиальный конденсатор.

Рис.4.12. Емкостной уровнемер.

Его электроды 1 и 2 изолированы друг от друга. Емкость такого преобразователя С может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых С₁ образован частью электродов и диэлек­триком - жидкостью, уровень которой измеряется, а другой С₀ - остальной частью электродов и диэлектриком - воздухом:

где l₀ - полная длина преобразователя в м; l - длина преобразователя, заполненного жидкостью в м; e₀ - электрическая постоянная воздуха в ф/м; e - диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров в м.

Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобра­зователя, емкость его будет изменяться в функции от уровня.

Особенности принципа измерения емкостного уровнемера LC300 (рис. 4.13):

· отсутствие движущихся частей, длительный срок службы;

· универсальность в применении.

Отличительные черты и преимущества:

· технология активного экрана позволяет уменьшить влияние паразитных емкостей и налипания среды на результаты измерений;

· простота конфигурирования и эксплуатации.

Типовые применения:

· простые задачи контроля уровня жидкостей малой и средней вязкости, включая умеренно-адгезионные и коррозионно-агрессивные, при невысоких требованиях к точности, а также сыпучих материалов средней и высокой плотности.

Рис. 4.13. Емкостной уровнемер модели LC300

Технические характеристики:

· Измеряемая среда – жидкость, сыпучие материалы;

· Параметры измеряемой среды: температура -40…200 °С; давление -0,1…3,5 МПа; диэлектрическая проницаемость > 1,5;

· Длина сенсора: стержневой 300…5000 мм; тросовый 1,0…25,0 м;

· Выходной сигнал - аналоговый 4…20 мА;

· Питание 9…32 В постоянного тока (двухпроводная схема);

· Температура окружающей среды: -40…85 °С

· Материалы конструкции, контактирующие с измеряемой средой: нержавеющая сталь 316 L, PFA, Peek;

· Соединение с процессом – наружная резьба: – R 3/4…11/2" (BSPT) ГОСТ 6211-81; – К 3/4…11/2" (NPT) ГОСТ 6111-52; фланцевое: DN25…100 PN16/40

· Пылевлагозащищенность – IP65

Схемы включения. В большинстве случаев емкостные преобразователи включаются в мостовые цепи переменного тока. Для повышения точности и чувствительности емкостный преобразователь де­лается дифференциальным и включается в соседние плечи моста (рис. 4.14).

Рис.4.14. Дифференциальная схема включения емкостных преобразователей.

Для того чтобы было возможно реализовать преимущества емкостных преобразователей, необходимо выполнить ряд требований к измерительной цепи.

a) Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую емкость (десятки - сотни пикофарад) и поэтому при промышленной частоте обладают весьма малой мощностью.

Например, если преобразователь имеет емкость С= 100 пФ, то при частоте f = 50 Гц и напряжении питания U= 50 В получаем

Так как мощность измерителя должна быть меньше мощ­ности преобразователя, то, очевидно, в качестве измерителя может быть использован только электронный прибор.

b) Сопротивление емкостного преобразователя очень ве­лико. Для приведенного выше преобразователя имеем

Такое сопротивление преобразователя требует большого сопротивления в выходной диагонали моста. Этому условию удовлетворяют электронные приборы, имею­щие высокое входное сопротивление.

Кроме того, при таком большом сопротивлении преобра­зователя должны быть очень высокими требования к изоля­ции измерительной цепи и измерителя. При сопротивлении изоляции цепи измерителя, сравнимым с сопротивлением пре­образователя, токи утечки будут сравнимы с током в преобра­зователе.

Поэтому емкостные преобразователи часто применяются в цепях повышенной частоты, что сильно увеличивает мощ­ность преобразователя и уменьшает его сопротивление.

c) Во избежание наводок все подводящие провода долж­ны быть тщательно экранированы. Точки заземления экра­нов должны быть выбраны так, чтобы в цепи не было элемен­тов, шунтирующих рабочие емкости.

d) Напряжение питания преобразователя должно быть. ограничено из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно допускаемое напряжение составляет 700 В/мм.

Напряжение можно увеличить, если поместить между об­кладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напряжение около 10³ кВ/мм. На­личие такой пластинки способствует получению более линей­ной зависимости выходного напряжения от усилия или изме­нения зазора d[DU=f(Dd)].

Погрешности. При использовании емкостных преобразователей нужно помнить о том, что между подвижной и неподвижной пласти­нами действует сила электростатического притяжения, кото­рая равна

и которая может внести погрешность в измерения. Если вход­ное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста беско­нечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются, то погрешности можно избежать, применяя дифференциальный преобразователь, в котором силы, действующие между пара­ми пластин, направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами, а сила, действующая между ними, остается неизменной, т. е. разность сил равна нулю, независимо от перемещения.

При колебаниях температуры окружающего воздуха будут изменяться геометрические размеры преобразователя, что может привести к большой погрешности измерения. Особен­но это имеет место, если детали преобразователя выполнены из различных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты расширения.

Температурную погрешность можно значительно умень­шить правильным выбором геометрических размеров деталей преобразователя, а также их температурных коэффициентов расширения.

Изменение влажности воздуха следует учитывать при из­мерениях емкостными преобразователями.

Если, например, градуировка прибора производилась в сухом помещении, а измерения будут проводиться при влаж­ном воздухе, то может возникнуть систематическая погреш­ность из-за изменения диаэлектрической проницаемости воз­душного промежутка преобразователя.