Иследования электродинамического плотномера / ПРОЧЕЕ / УРОВНЕ~1

Разрабатываемый плотномер имеет несколько функциональных составляющие, одна из которых выполняет функцию измерения уровня жидкости, то есть уровнемера.

Измерение уровня жидкости в резер­вуаре обычно требуется для определения ее количества. Приборы для его измерения можно разделить на две группы: уровнемеры с поплав­ком постоянного погружения и уровнемеры, основанные на использо­вании физических свойств жидкости. Показания приборов первой груп­пы мало зависят от вида и свойств жидкости. Датчики уровнемеров первой группы имеют поплавок, плавающий на поверхности жидкости, и преобразователь его вертикального пере­мещения в электрическую величину. На рис. 4.66 показана упрощен­ная схема уровнемера с реостатным преобразователем. Изменение уров­ня жидкости с помощью поплавка 1 и рычага 2 преобразуется в изме­нение положения движка реостатного преобразователя 3. Это изменя­ет токи /I и /а в обмотках логометрического измерительного механиз­ма 4. Последний градуируется в единицах уровня или количества жид­кости. Если поплавок имеет постоянное сечение б, то сила, выталки­вающая его из жидкости,

где у — плотность жидкости; х — глубина погружения поплавка.

Сила Р уравновешивается весом С подвижной части датчика, при­веденным к поплавку. Глубина погружения при этом

^-Т.1 1М)

Изменение плотности жидкости изменяет глубину погружения и создает абсолютную погрешность измерения уровня

* Эта погрешность систематическая и может быть скорректирована введением поправки. Погрешность может быть уменьшена путем умень­шения веса поплавка С и увеличения его сечения 0..

Вторая группа уровнемеров более разнообразна по принципу дейст­вия. Широко применяются приборы с поплавком переменного погру­жения (буйковые уровнемеры). Входной величиной такого уровнеме-. ра является изменение веса жвдкости, вытесненной поплавком (вытал-^ кивающая сила). Приборы ГСП этого типа описаны в § 4.2.14. , Так же широко используются емкостные уровнемеры. Преобра-^ зователем в таком уровнемере служат два параллельных электрода, погруженных в резервуар, в котором измеряют уровень жвдкости. На рис. 4.67,а показана схема уровнемера с цилиндрическими электро­дами. Емкость преобразователя эквивалентна параллельному соеди­нению двух цилиндрических конденсаторов, один из которых запол­нен жццкостью с относительной диэлектрической проницаемостью ег и имеет высоту Н, другой имеет высоту Н - Н и свободен от жид­кости. Емкость преобразователя

где Со — емкость единицы длины преобразователя без жвдкости; Н — высота электродов; Ь — высота уровня жвдкости в преобразовате­ле. Входной величиной емкостного уровнемера является произведе­ние Н (ег - 1).

Емкостный уровнемер типа РУС предназначен для измерения уровня диэлектрических и электропроводных жидкостей. Его датчик преобра­зует измеряемый уровень жидкости в унифицированный выходной сиг­нал постоянного тока. Для работы с электропроводными жидкостя­ми используются электроды, выполненные в виде проводов с фторо-пластовой изоляцией, для измерения уровня неэлектропроводных — неизолированные электроды, выполненные в виде коаксиальных труб, гибких тросиков, стальных лент. Диапазоны измерения лежат в преде­лах от 0-0,4 до 0-20 м. Классы точности - 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.

Для измерения уровня агрессивных жидкостей, а также если жид­кость находится при высокой температуре или давлении, могут ис­пользоваться радиоактивные уровнемеры. В качестве примера на рис. 4.67,6 приведена схема уровнемера ИУ-3. Уровнемер имеет источ­ник 7 излучения в виде проволоки 2, содержащей радиоактивный изо­топ кобальт.60, и ионизационный преобразователь 1 (счетчик Гейгера-Мюллера), расположенные по разные стороны резервуара. Работа при­бора основана на изменении поглощения 7-излучения при изменении уровня жвдкости. С повышением уровня, когда жидкость входит в пространство между источником 2 и счетчиком 1, излучение, попадающее на счетчик, уменьшается. Для расширения диапазона измерения могут быть использованы несколько счетчиков, расположенных на высоте резервуара. Входной величиной данного уровнемера является произве­дение плотности жидкости на длину пути частицы от источника до пре­образователя.

Уровнемеры второй группы могут применяться для измерения уров­ня самых разнообразных жидкостей. Однако при изменении жвдкости уровнемер должен быть пере градуирован, поскольку градуировка за­висит от ее свойств.

Характеристика элемента

Входная величина; линейное и угловое перемещение. Выходная величина: изменение емкости. Диапазон измерения; несколько сантиметров; угловое переме­щение до 180°.

Погрешность от нелинейности! крайне мала. Частотный диапазон: 0—10* Гц.

Преимущества: линейность характеристики; простота получения характеристик иных видов.

Недостатки: чувствительность к помехам; вьк-окоомность; необхо­димость точного механического изготовления.

Чувствительные элементы с изменяемой диэлектрической проницаемостью з^гзора

Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения е, применяют главным образом для определения со­става веществ (при полном заполнении зязора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора. Уровень можно изменять как вдоль, так и поперек пла­стин. При контроле состава твердых веществ (например, песка, 11ыли, гравия и т. п.), а также жидкостей (паров, газов или влаж­ных материалов) их можно помещать внутри плоского или ци­линдрического конденсатора. Для полностью заполненного изме­рительного конденсатора существует пропорциональная зависи­мость:

Так как, например, вода по сравнению с воздухом обладает значительно большей диэлектрической проницаемостью, то с по-ующью указанной зависимости можно определять влагосодержа-ние различных изоляционных материалов. При сравнительных Е;зме1;ен^ях важно, ч''обы ди-^ектрические проницаемости ис-•:ле;а,ус-мых материалов различались незпачи.-е.ньно. Существен­ное различие диэлектрических проницаемостеч воз;-.ухй и многих жи/к^х и твердых материалов, прежде всего воды, позволяет измерять емкостным методом положение уровня и г-хтг.янп⁰ за-:!оляс-ния сосудов, з. также толщину льда. В этом случая ра"-':у1?.т};ивают две параллельно соединенные емкости, причем так как ?- ==- 1. то

При практическом использовании данного метода в контро­лируемый резервуар погружают два цилиндрических и.чи плоских ^.мерительных электрода и оппеделяк-т емкость между ними, по качению которой при известном °^ контро.^р/рмой < реды рас­считывают высоту уровня заполнения. Обычно шкала показы-^ющ^го лои'',ор& грйдуиру^ся в едини).:-¹.^ ур^-'-т. М^т^д б^лы-

нерционен, так как емкость изменяется одновременно с изменением уровня заполнения Н^.

При измерении толщины слоев электроизоляционных мате­риалов (пленок, тканей, толщины лаковых покрытий и т. п.) исследуемый, материал пропускают в зазоре между измеритель­ными обкладками конденсатора. Достоинством этого метода яв­ляется его бесконтактность. Метод позволяет определять содер­жание воздуха в пенопластах и подобных им материалах при из­вестных размерах образцов и значениях диэлектрической про­ницаемости самого, материала.

Характеристика элемента

Входная величина; перемещение. Выходная величина: изменение емкости. Частотный диапазон: 0—10⁴ Гц.

Преимущества: бесконтактность,' пригодность для измерения тол­щины нитей и пленок. Недостатки] нелинейность} высокоемкость.

4.2.3. Емкостные преобразователи

Принцип действия и конструкция. Емкостный преобразова­тель представляет собой конденсатор, электрические параметры которо­го изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлект­риком. При изменении взаимного положения электродов или при из­менении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей меж­электродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плос­кий конпенсатоо. Его емкость опоепеляется выражением

где 6 — расстояние между электродами; б—их площадь; бо — электри ческая постоянная; б - относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденса тора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 4.15, а} 0. = Ьх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в кото ром емкость линейно зависит от х (рис. 4.15, б). Линейная зависимост! искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зави симости чувствительность такого ппеоппачовятепя

постоянна и. увеличивается с уменьшением расстояния между электро­дами б.

Если изменяется расстояние б между электродами, функция преоб­разования С = /(5) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность ппеоппачоватепя

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пла­стинами б. Для увеличения чувствительности 5 целесообразно умень-

шить 5. Предельное его значение пп^

^{ражениями} и приложенным Тапря^м"!⁷^"⁰"⁰^^^ ^с00^ малых 5 возможен электрическийпп^"" ^д0 Убывать, что при

Если перемещать диэ^^" ^{р между} ^^Родами* ^р

=^^й12=^^я^"^::

^=??гя=Е-==к=

пластиной, другой Со - оставшейся ^{ь»родов и} """^Р-ческой №м пространством, не з^^н^"¹" ^{мекгро»>а с} "ежэлектрод-

относительной Диэлектрически "о"?." ^I"^1КОЙ• ^Е<я" ^пласти"^ с Равную расстоянию между^^^{иящюмостш>} ^ имеет толщину Д

преобразователя опнсьшаетсхв^"™' ^{то функция} преобразования

_ ^ /*/-> /47-7

где е - площадь электтоао». п пластины, находящаяся ме^эле^родаГ ^{вдоцвди} """""рическо,

^мТ= ДиТф^^^о^о"^ ^п0 ^Р—————о<

^и;^^:^^^^^ няетсх с экраном. ^{средаии} """""кный электрод обычно соедн:

тел^е^^^^^^^ вклю^ется в измери­те напряжения или тока лТб^^^о^сиХиТ⁰⁶^"⁰' ^{в и3}^ ного тока. Существует довольно мног^ ^сяну^^х"^Vил^'»°^•° или импульс-

^-ения емко.нь.х ^^Х^^^

^5^3= ^^= ^==°^„=-

. 138

Для включения недифференциаль­ного преобразователя может использо­ваться резонансная цепь (рис. 4.17, в). Генератор через разделительный транс­форматор Т питает резонансный Ис­кошу?. Емкость контура состоит из емкости преобразователя Спр и под-строечного конденсатора емкостью С *, частота и значение напряжения ге­нератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изме­няется по резонансной кривой, как показано на рис. 4.17,^. При измене­нии емкости преобразователя на ДС напряжение на контуре изменяется на Д<7. Подстроечный конденсатор слу­жит для настройки контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи

была максимальной.

Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура. . Для включения дифференциального емкостного преобразователя мо­жет быть использована мостовая цепь (рис. 4.18), работающая в нерав­новесном режиме. В этой цепи емкости С\ и С-г — дифференциальный преобразователь. На схеме показано также экранирование соедини­тельных проводов и диагоналей мостовой цепи. С„ Су С „ С д — емкости соответствующих экранов. Эти емкости включены

параллель­но активным сопротивлениям и входят в полные сопротивления плеч моста. Эквивалентные емкости экранов могут несколько изменяться при работе прибора. Для того чтобы их изменения мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления резисторов К должны быть малыми. Емкость Се не входит в уравнение равновесия моста, и ее из­менение значительно меньше влияет на его выходное напряжение.

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобра­зователей является емкостно-диодная цепь (рис. 4.19, д). Дифферен­циальный преобразователь С\ и Сд подключается к источнику пере­менного напряжения через диоды ГГ^ - УВ^ и конденсаторы Сз - С^. При положительной полярности напряжения и конденсатор С\ заря­жается через Сз и УО^, а при отрицательной разряжается через С^ и ¥0-1. Конденсаторы Сз и С^ имеют равные емкости, а диоды УО^ и УВч — равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напря-

жение синусоидально, то же синусоидальное напряжение будет и на кон денсаторе С\ (в точке с), причем значение этого напряжения опреде­ляется значением С\. Аналогичным образом напряжение на конденсато­ре Сд (в точке сГ) изменяется синусоидально и его значение зависит от емкости Сд. Если все диоды имеют одинаковые прямые сопротивления, то при С» = Сд напряжения на этих конденсаторах одинаковы и напряже­ние между точками с и с1 отсутствует. Если же С» Ф Сг, то между точка­ми с и д? появится переменное напряжение, пропорциональное разности С\ - Сг- Это напряжение выпрямляется в течение одной половины пе­риода диодами УВ\ и УОз, а в течение второй — диодами УВг и УО^. Выходное напряжение снимается с диодов Г/?з и УВ^, Его изменение во времени показано на рис. 4.19, б. Среднее выпрямленное значение на­пряжения <7вых определяется разностью С\ ~ С-г и приближенно равно

тт — •"^{>гг //»} ~ '

. -/ \^-¹-')

Для того чтобы упростить экранирование, вся емкостно-диодная схема помещается в экранированный корпус датчика.

Погрешность емкостного преобразователя. Электроды емкостного преобразователя монтируются на изоляционных деталях или разде­ляются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют раз­личные коэффициенты линейного расширения. При изменении темпе­ратуры это приводит к изменению расстояния между электродами. Хотя это изменение мало, оно может быть соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имею­щей аддитивную и мультипликативную составляющие. Первая мо­жет быть уменьшена применением дифференциальных преобразова­телей.

Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутрен­нее сопротивление преобразователя достигает значений более 10⁷ Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обуслов­ленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения со­противления преобразователя частота напряжения питания увеличи­вается до нескольких килогерц и выше, вплоть до нескольких мегагерц.

Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присут­ствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а так­же идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необхо­димо экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянем изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах, когда токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности.

Особенности применения емкостных преобразователей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного дат­чика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные элек­троды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной час­тотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электро­дов, Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является ма­лая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преоб­разователей. Недостатком является и то, что результат измерения за­висит от изменения параметров кабеля.

Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

ЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

§ 3-1. Емкостные преобразователи

Принцип действия. Основные соотношения. Пути использова ния. Емкостный преобразователь является конденсатором, напри мер плоским конденсатором, емкость которого С, как известно, вы

па'а/'а<зтуог <+>г>пи*'и тт<"»й

где е — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками

(для воздуха бц = 8,85-Ю'"¹² ф/м);

8 — поверхность обкладки;

8 — расстояние между обкладками.

1Емкостные преобразователи могут быть использованы при ерении различных неэлектрических величин по четырем направ-иям: измеряемая неэлектрическая величина может быть функ-нально

связана либо с 8, либо с 8, либо с е, либо с диэлектриче-ии потерями конденсатора. В последних двух случаях емкостные образователи можно применять для анализа состава веще-1, поскольку диэлектрическая проницаемость и потери являются кцией свойств вещества. При этом естественной входной вели-ой преобразователя будет состав вещества, заполняющего про­

странство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влаж­ности твердых и жидких тел.

^ В подавляющем же большинстве случаев практического исполь­зования емкостных преобразователей их естественной входной ве­личиной является геометрическое перемещение электродов относи-гтельно друг друга.

Емкость преобразователя (рис. 3-1) может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов. Один кон-^ денсатор Сд образован частью электродов и диэлектриком —жид­костью, уровень которой измеряется, а второй конденсатор Со — остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом.Э

; А2

.где /о—полная длина преобразователя (трубки);

? /—длина трубки, заполненной жидкостью;

| е — диэлектрическая проницаемость жидкости;

Е- ео — диэлектрическая проницаемость воздуха;

/?1 и ^з — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров

На рис. 3-2 показан принцип устройства емкостного преобразо­вателя для измерения толщины ленты из диэлектрика (например, из резины). Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить 8, толщину ленты диэлектрика 5д, а диэлектрическую проницаемость ленты из диэлектрика- вд, то емкость С можно выразить как

где 8 — плошаль обклалок.

На рис. 3-3 показан принцип устройства емкостного преобразо­вателя с переменной площадью 5 обкладок, используемого при измерении угла поворота вала. Подвижная обкладка 1, жестко скрепленная с валом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 2 так, что длина зазора между обкладками сохраняется неизменной.

Наиболее широкое распространение получили емкостные .пре­образователи, в которых в зависимости от измеряемой неэлектриче­ской величины (чаще всего механической) изменяется длина 8 зазора. Принцип устройства подобного дифференциального преобра­зователя изображен на рис. 3-4. Обкладка 1 закреплена на пружи­нах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы А Обкладки 2 и 3 неподвижны. Емкость между об­кладками / и 2 увеличивается, а между обкладками 1 и 3 умень­шается.

На рис. 3-5 показана конструкция одной половины дифферен­циального емкостного преобразователя, используемого в качестве преобразователя недокомпенсации в приборе уравновешивания. Подвижная пластина / крепится к корпусу 2 на растяжках 3, жест­

кость которых в направлении оси Х—Х очень мала. При действии силы Р подвижная пластина перемещается и зазор между подвиж-

изолированы от корпуса специальными про­кладками 4 и стеклянными «слезками» 5.

В некоторых случаях затруднительно при­соединять токоподводы к подвижному эле­менту емкостного преобразователя. На рис. 3-6, а показан принцип устройства емкостного дифференциального преобразова­теля поплавкового велосиметра [Л. 253]. При действии ускорения пустотелый попла­вок 1, находящийся во вращающемся ци­линдре 2, наполненном вязкой жидкостью, перемещается вдоль оси X. Перемещение поплавка пропорционально скорости объекта. При перемещении поплавка изменяются за­зоры между ним и неподвижными пластинами 3 и 4, вмонтированными с внутренней сто­роны торцов вращающегося цилиндра, и, сле­довательно, изменяются емкости С^и Сд между поплавком и пластинами 3 а 4 (рис. 3-6, б).

В этих условиях присоединение токопод-вода к поплавку невозможно. Поэтому на

еще одна обкладка 5 таким образом, чтобы емкость Со между нею и поплавком при перемещении последнего оставалась неизменной. Эквивалентная схема включения такого преобразователя показана

Дна рис. 3-6, б. Наличие емкости Со в измерительной диагонали мо-Дета несколько понижает чувствительность преобразователя, но зато •Обеспечивает присоединение измерительной цепи к подвижной об-ркладке без токоподводов.

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической ^проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость

^де во — диэлектрическая постянная; е — относительная диэлект-ряческая проницаемость среды мбжду обкладками; s — активная "площадь обкладок; 6 —расстояние между обкладками.

Из выражения для емкости дидно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей С === /i (е), С ===- f^ (s), С --/я (6).

Рис. 245. Емкостные преобразователи: а — с изменяющимся расстоянием между пластинами; б — дифференциальный;

е — дифференциальный с переменной активной площадью пластин; г — с переменной диэлектрической лостояяной среды между пластинами

На рис. 245 схематически показано устройство различных емко­стных преобразователей. Преобразователи на рис. 245, а представ­ляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной плас­тины. Изменение расстояния между пластинами 6 ведет к измелению емкости преобразователя.

Функция преобразования С === ^ (6) нелинейна, что ограничивает диапазон изменения 6. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния 6, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального-расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 кВ/см для воздуха).

Такие преобразователи испбльзуютта для тазмереяйя малых пе-ремещений^енее 1 мм).

Малое "рабочее перемещение пластин приводит к появлению по­грешности от изменения расстояния между пластинами при колеба­ниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов можно знаитльно сниить.

В емкостных преобразователях возникает усилие притяжевия между пластинами, определяемое производное от энергии электри- j ческого поля W^ по перемещению подвижной пластины; 1

где U — напряжение между пластинами; С — емкость между плас-^нами.

Применяются дифференциальные преобразователи (рис. 245, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно^ яо с рзанымм знаками изменяются зазоры^, а следовательно, соответственно изменяются емкости С^ и С^ Диф­ференциальные преобразователи дают возможность увеличить чув­ствительность прибора, уменьшить усилие между подвижными и не­подвижными пластинами, уменьшить нелинейность функции пре­образования и снизить влияние внешних факторов (температуры, Давления и влажности воздуха и т. д.). I