Модуль 2 Тема № 2. Неразрушающие методы контроля параметров технологических процессов на основе ёмкостных пип.

1. Емкостные пип, классификация, принцип действия, расчетные модели, измерительные цепи, область применения

Емкостный метод основан на применении емкостных датчиков.

Емкостный датчик – плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает перемещение под действием объекта контроля или изменение диэлектрической проницаемости между обкладками.

Подразделяются на плоские и цилиндрические.

Д ля плоских конденсаторов (рисунок 1), пренебрегая краевым эффектом:

, где

D – расстояние между обкладками;

F – площадь пластины.

Р исунок 1 – Схема плоского конденсатора

Краевой эффект становиться значительным, если зазор между пластинами сравним с линейными размерами поверхностей обкладок.

Д ля цилиндрического конденсатора представленного на рисунке 2

Рисунок 2 – Схема цилиндрического конденсатора

Различают 3 чувствительности:

– относительная чувствительность к емкости ( ).

– чувствительность импеданса.

– относительная чувствительность.

Если чувствительность к емкости постоянна, то

.

Если чувствительность импеданса постоянна, то

., где

К – постоянная конденсатора, которая определяется формой обкладок.

Для цилиндрического конденсатора

.

Конденсатор с переменной площадью обкладок

М ожно выделить одиночный конденсатор и двойной дифференциальный конденсатор

Для плоского одиночного конденсатора

D – расстояние между пластинами.

 – угол смещения пластины.

Эта зависимость нелинейна.

Для плоского двойного дифференциального конденсатора за начальное положение А₁ принимают положение симметричное относительно А₂ и А₃.

Для цилиндрического конденсатора

,

, где

С₀ – начальная емкость, а Х=L/2

Если и включены по дифференциальной схеме, то получатся следующие соотношения:

,

С(х) = 2Кх – линейное изменение ёмкости относительно перемещения х.

Конденсаторы с переменным зазором между обкладками

Подразделяются на одиночный и двойной дифференциальный конденсатор.

Для одиночного конденсатора:

D₀ – расстояние между пластинами.

d – перемещение пластины.

– абсолютная чувствительность к емкости.

– абсолютная чувствительность импеданса.

Чувствительность данного конденсатора выше, чем у конденсатора с переменной площадью пластин.

Д ля двойного плоского дифференциального конденсатора

,

,

Если и включены по дифференциальной схеме, то

,

.

, т. е. зависимость линейна.

Методы измерения изменения ёмкости

1. Мостовая схема с двойным дифференциальным конденсатором

Напряжение разбаланса на выходе моста определяется:

.

Если можно пренебречь краевым эффектом и паразитными емкостями, то выходная характеристика будет линейной.

2. Схема с операционным усилителем

Один из конденсаторов С1 или С2 является емкостью датчика

,

где

,

.

Если , а , тогда

.

Схема линейна по перемещению в следующих случаях:

1. С1 – конденсатор с переменной площадью поверхности, а С2 = const.

2. С1 = const, С2 – конденсатор с переменным зазором.

Недостатки датчиков:

Малая относительная чувствительность, ограничиваемая влиянием э/м наводок и паразитных ёмкостей, поэтому область применения ограничена и служит для измерения больших геометрических размеров, больших линейных и угловых перемещений и измерения диэлектрической проницаемости материалов.

В связи с этим датчики требуют усовершенствования и специальной конструкции.