Датчики сили або тиску

Якщо звернутись до рисунку 2.2 та 2.3, то датчик сили можна побудувати, якщо між пластинами конденсатора встановити пружини, а на верхню пластину подати силове навантаження. Тоді, чим більше прикладена сила, тим більше будуть стиснуті пластини, тим менша буде відстань між ними, тим більша ємність. Але, оскільки такі датчики залежать від факторів зовнішнього середовища, то використання цього принципу потребує значних конструктивних зусиль.

А ось як безконтактні кнопки ємнісні датчики застосовуються часто. Використовується різка зміна ємності при натисненні пальцем кнопки. Конструкція датчика сили з кнопкою показана на рисунок 2.6

Риснок 2.6 - конструкція датчика сили

При натисненні на кнопку відстань між провідною силіконовою шайбою та електродами змінюється. Тому змінюється і ємність між обкладками електродів на друкованій платі. Мікросхема контролера перетворює ємність датчика у напругу, а потім у цифровий код. Такі датчики використовують у клавіатурах комп’ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах тощо.

Для вимірювання тиску використовується гнучка пластина конденсатора. Якщо на цю гнучку пластину поданий тиск, вона наближується до іншої постійної пластини конденсатора, тому ємність конденсатора змінюється в залежності від тиску. На рисунку 2.7 зображена така конструкція датчика тиску.

Рисунок 2.7 - конденсаторний датчик тиску

У конкретних конструкціях формуються складні форми діафрагм, що дозволяють одержати комбінації лінійності, чутливості та частотної характеристики.

Для ємнісних датчиків рівня характерні простота монтажу й експлуатації, зручна форма залежності між вхідною та вихідною величинами, яка є, як правило, лінійною. Перевагою ємнісних датчиків являється можливість легкого пристосування їхньої форми до різних задач.

Принцип дії ємнісних датчиків заснований на властивостях електричного конденсатора, ємність якого змінюється під впливом вимірюваної фізичної величини. Величина ємності конденсатора залежить від форми та розмірів електродів і їх взаємного розташування один відносно одного, а також від властивостей середовища між ними.

Відомі коаксіальні та планарні датчики рівня) рисунок 2.8, основним недоліком яких являється відносно невисока чутливість.

Сформульовано мету і задачі дослідження.

а) б)

Рисунок 2.8 - ємнісний датчик рівня а) коаксіальний; б) планарний.

Відомі ємнісні датчики мають відносно невисоку чутливість. Для покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня було запропоновано метод проектування ємнісних датчиків рівня, який характеризується варіацією форми та просторового розташування електродів ємнісного датчика.

Для даного методу характерно те, що змінюючи форму електродів можна одержати різні технічні характеристики ємнісних датчиків рівня. Крім того, використовуючи одні й ті ж електроди, всього лише шляхом зміни їх взаємного розташування можна досягти покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня.

Запропоновані поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з поверхневими електродами представлені на рисунку 2.9.

Рисунок 2.9 - поліелектродний циліндричний ємнісний датчик рівня з поверхневими зовнішніми (а) та внутрішніми (б) електродами: 1 – діелектричний циліндр; 2 – електроди.

а) б)

Для розрахунку початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами було використано метод конформних перетворень:

,

де n – кількість електродів; ε₀ – діелектрична стала; h – висота датчика; ε – діелектрична проникливість циліндра; K(k) – повний еліптичний інтеграл першого роду; k – модуль еліптичного інтеграла;

d – відстань між електродами; a – ширина електродів; ψ – аргумент.

При зануренні датчика рівня у резервуар з рідиною ємність датчика стає еквівалентною паралельному з’єднанню двох ємностей, одна з яких – це ємність частини датчика висотою x, заповненої рідиною з відносною діелектричною проникливістю , друга – ємність вільної від рідини частини датчика висотою (h-x).

В датчиках рівня для рідин, що проявляють електропровідні властивості, електроди датчика необхідно ізолювати для запобігання короткого замикання. Ізоляційний шар, в свою чергу, призводить до зміни передаточної характеристики, що може бути враховано введенням поправочного коефіцієнта m.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд

, (1)

де — ємність з’єднувальних проводів; m – поправочний коефіцієнт; – діелектрична проникливість досліджуваної рідини; – рівень досліджуваної рідини.

Для визначення ємності C₀, відповідно до (1), необхідно використовувати метод пустого–заповненого датчика.

Нехай ємність пустого датчика C₁, ємність датчика, заповненого рідиною – С₂, а діелектрична проникливість рідини – .

Тоді

.

Чутливість поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд

Рисунок 2.10 - Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами  

На рис. 3 представлена передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами при m = 8,4; n = 8; C₀ =15 пФ та різному значенні діелектричної проникливості рідини (вода – 80; метиловий спирт – 33,8; ацетон – 21,4, розрахована з використанням пакета Mathcad 2001.

Для більш точного розрахунку поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами необхідно зважати на додаткові ємності, які виникають при покритті електродів ізоляційним матеріалом.

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд

де ε_д – діелектрична проникливість ізоляційного шару; δ – товщина ізоляційного шару; ε_ц – діелектрична проникливість циліндра.

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими зовнішніми електродами, виготовлені із стеклотекстоліта марки СТЕФ зі сталими діелектричними властивостями з латунними електродами, покритими епоксидним лаком, з наступними параметрами: висота датчика 130 мм; зовнішній діаметр 15,3 мм; ширина електродів 4 мм; товщина електродів 0,1 мм; відстань між електродами 2 мм; початкова ємність датчика 21 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм у рідину (воду), – 85 пФ.

Рисунок 2.11 -.Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами  

Залежність ємності C поліелектродного циліндрич-ного датчика рівня з поверхневими зовнішніми електродамивід глибини занурення у рідину x (рисунок 2.11) лінійна й відповідає графіку передаточної характеристики, приведеному на рисунок 2.10.

Для контролю ємнісних датчиків пропонується їх включення в схеми диференцію-ючого та інтегруючого ланцюгів.

В якості генератора використовувався генератор сигналів низькочастотний Г3-106, з якого подавався меандр амплітудою 1 В і частотою 10 кГц.

Осцилограми вхідної та вихідної напруги диференціюючого ланцюга з поліелектродним циліндричним ємнісним датчиком рівня з поверхневими електродами приведені на рисунку 2.12.

а) б)

Рисунок 2.12 - осцилограми вхідної (а) та вихідної (б) напруги диференціюючого ланцюга

Осцилограми вхідної та вихідної напруги інтегруючого ланцюга з поліелектродним циліндричним ємнісним датчиком рівня з поверхневими електродами приведені на рисунку 2.13.

а) б)

Рисунок 2.13 - осцилограми вхідної (а) та вихідної (б) напруги інтегруючого ланцюга

При включенні ємнісних датчиків в схеми диференціюючого та інтегруючого ланцюгів можна проводити їхній контроль на такі поширені дефекти, як обрив та коротке замикання.

Таким чином, в результаті досліджень було виявлено, що використання поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 15-20%, а також зменшити їхні габарити більш, ніж у 3 рази порівняно з планарними ємнісними датчиками рівня.

Як відомо, технічні характеристики ємнісних датчиків залежать від взаємного розташування електродів датчика. Тому доречним представляється, змінюючи взаємне розташування електродів поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами, створення на їх основі нових ємнісних датчиків рівня з покращеними технічними характеристиками.

Запропоновані поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з радіальними електродами представлені на рисунку 2.14.

а) б)

Рисунку 2.14 - поліелектродний циліндричний ємнісний датчик рівня з радіальними зовнішніми (а) та внутрішніми (б) електродами:

1 – діелектричний циліндр; 2 – електроди.

Для розрахунку початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними електродами було розв’язано рівняння Лапласа в циліндричній системі координат.Початкова ємність поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд

,

де – кількість електродів; – висота датчика; – діелектрична стала; – внутрішній радіус датчика; – ширина електродів; – кут між електродами ().

Початкова ємність поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд

,

де – радіус датчика (без електродів).

Як відомо, в датчиках рівня для рідин, що проявляють електропровідні властивості, електроди датчика необхідно ізолювати. Ізоляційний шар, в свою чергу, призводить до зміни передаточної характеристики, що може бути враховано введенням поправочного коефіцієнта m. При підключенні ємнісного датчика рівня до вторинної вимірювальної апаратури необхідно також враховувати ємність , зумовлену з’єднувальними проводами від електродів до вторинної апаратури.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд

,

де — ємність з’єднувальних проводів; m – поправочний коефіцієнт; – рівень досліджуваної рідини; – діелектрична проникливість досліджуваної рідини.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд

.

Чутливість поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми та зовнішніми електродами відповідно мають вигляд

;

.

Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами при різній кількості електродів n (m = 8,4; ε = 80 (вода); C₀ = 20 пФ) та різному значенні діелектричної проникливості рідини ε (вода – 80; метиловий спирт – 33,8; ацетон – 21,4), що розрахована з використанням пакета Mathcad 2001, представлена на рис. 8, а та 8, б відповідно.

.

а) б)

Рисунок 2.14 - передаточна характеристика поліелектродного циліндричного датчика рівня з радіальними внутрішніми   електродами

Для більш точного розрахунку поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними електродами необхідно зважати на додаткові ємності, які виникають при покритті електродів ізоляційним матеріалом.

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд

,

де ε_д – діелектрична проникливість ізоляційного шару; ; – внутрішній радіус датчика; δ – товщина ізоляційного шару.

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами

.

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами, виготовлені із стеклотекстоліта марки СТЕФ зі сталими діелектричними властивостями з латунними електродами, покритими епоксидним лаком, з наступними параметрами: висота датчика 130 мм; зовнішній діаметр 16 мм; внутрішній діаметр (без електродів) 15,3 мм; ширина електродів 3,5 мм; товщина електродів 0,1 мм; відстань між електродами 6 мм; початкова ємність датчика 21 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм у рідину (воду), – 99 пФ.

Як відомо одним із недоліків коаксіальних ємнісних датчиків рівня являється те, що забруднення зазору між електродами, а також залишок рідини у зазорі призводять до погіршення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня. Виходячи з цього, було запропоновано замінити один із циліндричних електродів на дисковий.

Дата добавления: 2015-07-11