20. Емкостные датчики

- преобразование измеряемой величины в емкостное сопротивление. Принцип действия основан на зависимости емкости конденсатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Емкость конденсатора, имеющего две плоские обкладки ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; ε₀ — диэлектрическая постоянная ( Ф/м); s — площадь обкладок; d — расстояние между обкладками.

Е

Д линейного перемещения.

Н

а рис. 2 ЕД углового перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала — угла поворота α. Емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок — пластин 1 и 2. Одна из пластин (1) неподвижна, другая (2) — может поворачиваться на оси относительно пластины 1. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (штриховка).

ЕД уровня. Емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Е

Д используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте питания: , — угловая частота; f— частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором.

22. Струнные датчики

Частотный метод - измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинство: в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности, частотный сигнал хорошо преобразуется в цифровой код. Принцип действия СД основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной l и массой т от силы натяжения F:

П

ри воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь. Это обстоятельство существенно снижает погрешность измерения из-за механического гистерезиса и упругого последействия материала первичного преобразователя.

СД для измерения давления состоит из струны 1, возбудителя 2 и приемника 3. Одним концом струна жестко закреплена, а другим концом соединена с первичным преобразователем, например мембраной 41. При изменении давления Р изменяется сила натяжения струны. С помощью возбудителя 2, которым может быть электромагнит, струна выводится из состояния равновесия и начинает колебаться с частотой f, определяемой давлением Р. Приемник 3 преобразует перемещение струны с частотой f в электрический сигнал такой же частоты (электромагнитный датчик). Он может попеременно выполнять функции то возбудителя, то приемника. Когда на его обмотку подается напряжение, то он создает электромагнитную силу притяжения струны и возбуждает ее колебания. А когда струна уже колеблется, то с этой же обмотки снимается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний струны.

СД используются автогенераторном режиме и в режиме работы по запросу. В первом - струна постоянно колеблется, во втором — работает в более легких условиях, срок службы ее увеличивается и датчик получается несколько проще.

Устройство. Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежности струнных датчиков необходимо выбрать соответствующий материал струны. К материалу струны предъявляются требования: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное значение температурного коэффициента линейного расширения, независимость упругих свойств от времени и температуры.

Стальные струны и ленты работают в режиме заданной длины. В этом режиме струна крепится к относительно более массивному упругому первичному преобразователю, изготовленному также из стали. Одинаковый температурный коэффициент линейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность.

К

репление с помощью винта (а) приводит к значительному смятию струны и ухудшению стабильности. Более хорошие результаты дает крепление в щели (б). Ленточные струны закрепляют между двумя хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями (в).

Струнный тензометр. В корпусе 1 закреплена струна 2, начальное натяжение которой может устанавливаться с помощью регулировочного винта 3. Колебания струны возбуждаются с помощью электромагнита 4. Выходной сигнал приемника 5, в качестве которого используется, например, электромагнитный трансформаторный датчик, измеряется частотомером. (б) показаны диаграммы напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита 4, и напряжения, снимаемого с приемника 5 в режиме работы по запросу. Периодически посылаются сигналы запроса в виде одиночного импульса, а сигнал ответа имеет вид затухающих колебаний с частотой f, определяемой силой, приложенной к струне.