2. Розробка структурної схеми цифрового товщиноміра

Структурна схема — схема, яка визначає основні функціональні частини пристрою, їх взаємозв'язки та призначення. Під функціональною частиною розуміють складову частину схеми: елемент, пристрій, функціональну групу, функціональну ланку.

Для розробки структурної схеми цифрового товщиноміра використаємо наступні елементи: для вимірювання товщини використаємо ємнісний перетворювач на основі плоского конденсатора, тому що він задовольняє за здатністю вимірювати малі лінійні розміри (товщину). Оскільки товщина перетворюється в ємність, тоді після включення подільника ємності, використаємо цифровий вимірювач параметрів електричного кола. Отримавши АЦП число імпульсів зберігаємо в регістрі RG для забезпечення безперервної роботи даного приладу. Перетворювач коду DC забезпечує перетворення інформації з двійкового в двійково-десятковий код, після чого вимірювальну величину відображено на індикаторі І.

Структурну схему цифрового товщиноміра представлено на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурна схема цифрового товщиноміра

2.1 Ємнісні перетворювачі

В ємнісних перетворювачах використовується залежність ємності конденсатора від розмірів, взаємного розміщення його обкладок і діелектричної проникності середовища між ними.

В ідеальному випадку ємність плоского конденсатора

. (2.1)

З цієї формули випливає, що ємність С плоского конденсатора збільшуватиметься при зростанні діелектричної проникності середовища і площі пластинS і зменшуватиметься зі збільшенням відстані між пластинами d. Отже, всі фізичні величини, які безпосередньо або через допоміжні фактори будуть впливати на зміни ,S і d, можна виміряти за допомогою ємнісних сенсорів. Останні можуть мати найрізноманітніше конструктивне виконання: дві чи три плоскі пластини, циліндр у циліндрі тощо.

Таким чином, під ємнісним сенсором розуміють систему електродів, ємність яких однозначно залежить від значення заданої фізичної величини.

Чутливість ємнісних перетворювачів з площинними електродами є лінійною функцією зміни площі взаємодії електродів і зміни діелектричної проникності середовища між ними:

. (2.2)

У той самий час чутливість відносної відстані між електродами є нелінійною функцією:

. (2.3)

Розглянемо, перетворювачем яких фізичних величин може бути ємнісний сенсор.

Зміна діелектричної проникності. Величина має різні значення для різних речовин. Отже, цю особливість можна використати для визначення виду речовини, що знаходиться між електродами сенсора. Якщо є суміш двох речовин, значення₁, і ₂ яких відомі, то, вимірюючи результувальне значення _с (суміші), можна визначити її процентний склад. Наприклад, відносна діелектрична проникність нафти _н=3, а води _в = 81. Отже, найменші домішки води у нафті будуть різко збільшувати результувальну проникність _с. На цій особливості ґрунтується будова ємнісних вимірювачів вологості.

Загалом міжелектродний простір може бути тільки частково заповнений якою-небудь твердою, сипкою або рідкою речовиною. Якщо відомо цієї речовини, то за виміряною ємністю можна визначити ступінь заповнення міжелектродного простору в лінійних мірах або у мірах площі. На цій основі можуть бути побудовані вимірювачі переміщення твердих або рівнів сипкого і рідкого середовищ у закритих, недоступних безпосередньому спостереженню резервуарах.

Зрештою, може змінюватись від температури. Якщо закон таких змін для даної речовини відомий і однозначний, то на цій основі можна створювати вимірювачі температури.

Зміна площі. Площа S може змінюватись або при лінійних переміщеннях однієї з пластин відносно іншої, або при їх відносному повертанні. Таким чином, на цій основі можуть бути створені ємнісні сенсори лінійних і кутових переміщень. Пластини можуть мати значні розміри, /до 100 мм/, складатись із спарених секцій, тому ємнісні датчики такого типу придатні для вимірювання порівняно великих переміщень і кутів від 0 до 360°.

Зміна відстані d між пластинами. Таку відстань часто називають зазором, ємність сенсора змінюється обернено пропорціонально зазору d. Це вимагає особливого підходу до створення вимірювальних кіл, що працюють у парі з такими сенсорами, оскільки, звичайно, намагаються забезпечити лінійну залежність між вимірюваною й вихідною величинами. Крім того, на відміну від лінійних розмірів відстань d між пластинами не може бути великою через виникнення електричних полів розсіювання. Однак величина d може набувати дуже малих значень - десяті і соті частки міліметра.

Таким чином, після зміни відстані d між пластинами можна вимірювати переміщення так, як і після зміни S. Проте такі сенсори придатні для вимірювання дуже малих переміщень з дуже високими чутливістю і роздільною здатністю. Так, в Інституті електродинаміки НАН України створені дистанційні цифрові прилади з розділювальною здатністю 510^-6 мм. Цифровий міст при винесенні сенсора на 10...20 м від приладу виявляє деформації, мікропереміщення, які у тисячі разів менші за товщину людської волосини. Очевидно, що зміну зазору d між пластинами сенсора також можна використати для визначення сил, моментів деформацій, зважування вантажів, вимірювання тисків і вібрацій при відповідному оснащенні сенсорів пружними елементами.

Основні переваги ємнісних сенсорів - висока чутливість; відсутність рухомих деталей, які труться; простота конструкції; мала інерційність. До їх недоліків слід віднести вплив зовнішніх електричних полів, паразитних ємностей, температури і вологості [3].

Багатопластинний конденсатор (рис. 2.2), за допомогою якого можна визначити вели­чину кута повороту, що змінює ємність за рахунок зміни площі взаємодії пластин конденсатора (такі конденсатори до недавнього часу використовували майже в усіх радіо­приймачах, їхня найбільша ємність десь близько 500 пФ), можна беззаперечно використати як перетворювач кута по­вороту в електричну ємність.

Рисунок 2.2 – Схема багатопластинного конденсатора

У циліндричного конденсатора (рис. 2.3) ве­личина ємності визначається виразом

(2.4)

де h — довжина конденсатора, м;

h' — висота рівня речовини, що знаходиться між циліндричними електродами, м;

ε — абсолютна діелектрична проникність речовини, що знаходиться eпроміжку між циліндричними елек­тродами, Ф/м;

R₁ — внутрішній радіус зовнішнього електрода, м;

R₂ — зовнішній радіус внутрішнього електрода, м.

Рисунок 2.3 – Схема циліндричного конденсатора

Він може мати достатню ємність при значній його до­вжині та за суттєво більшої, ніж у повітря, діелектричної проникності є. Найчастіше такий перетворювач використо­вують у ємнісних рівнемірах, які вимірюють рівні рідких не-електропровідних речовин (наприклад, бензину у високих ємностях).

Якщо речовина, що залита у технологічну ємність, не діелектрик, а провідник, як, наприклад, розчини кислот і солей, то вимірювальний конденсатор перетворювача висо­ти рівня у величину електричної ємності можна виконувати у вигляді одного електрода, ізольованого шаром матеріалу зі значною діелектричною проникністю, наприклад деякими полімерними матеріалами. У цьому разі другим (заземле­ним) електродом конденсатора буде сама електропровідна речовина, що облягає ізоляцію стрижня, який є першим електродом такого конденсатора.

Плоский конденсатор може бути використаний для вимірювань невеликих переміщень (рис. 2.4), коли змінюється відстань l між його пластинами. Величина ємності С такого конденсатора, якщо він знаходиться у повітрі:

де ε₀ — діелектрична постійна (ε₀ = 8,85-10^-12 Ф/м);

S — площа кожної пластини, м²;

l — відстань між пластинами, м.

Рисунок 2.4 – Схема плоского конденсатора

Розгляне ємнісний датчик, що реагує на відстань між пластинами (рис.2.5).

Рисунок 2.5 - Ємнісний датчик, що реагує на відстань між пластинами

За допомогою імпульсу „Імп.1” відкриємо ключ і зарядимо конденсатор до напруги Uп (а це значить, що внесемо у конденсатор заряд q₀ = CUп). Якщо ми будемо зміщувати вверх або вниз верхню пластину конденсатора (нижня залишається на місці), то при закритих ключах (незмінному заряді q0) напруга на конденсаторі Uвих=q₀/C = dq₀/S і, таким чином лінійно зв’язана з відстанню d. Через деякий час за допомогою імпульсу „Імп.2” конденсатор розрядити. А потім знову зарядити, подавши імпульс”Імп.1”, бо конденсатор має властивість саморозряджуватись, бо його діелектрик має не безкінечний опір.

У даному варіанті (рис. 2.6) пластини конденсатора зміщуються по горизонталі так, що площа пластин, що перекриваються змінюється, а відстань між ними не змінюється. А оскільки ємність прямо пропорційна площі пластин, то переміщення пластини пропорційно змінює ємність.

Рисунок 2.6 – Ємнісний датчик, що реагує на зміщення пластин.

В іншому варіанті, що зображений на рис.2.7 датчик ємності стає датчиком близькості.

Рисунок 2.7 – Ємнісний датчик близькості

У даному випадку пластини конденсатора розведені. Якщо у електричному полі цих пластин з’являється річ, що має електричну провідність, то ємність конденсатора підвищується. Збільшення ємності можна відчути, коли ємність включена у генератор електричних коливань, частота коливань якого залежить від цієї ємності.

Ємнісні датчики нестабільні, бо на величину ємності впливають параметри зовнішнього середовища, зокрема вологість та забруднення [4].