Глава 4 датчики

1. Емкостные датчики топливомеров

При измерении количества топлива по высоте его уровня относительно дна бака, применяются электроемкостные датчики с коаксиальным расположением труб. Два датчика из труб с диаметрами D₁ и d₁, а также D₂ и d₂ с одинаковыми зазорами между внутренней и наружной трубами, находящиеся в одном баке, показаны на рис. 4.1,а

Рисунок 4.1. Емкостные датчики с коаксиальным расположением труб D₁ — d₁, D₂ — d₂, (а) и их статические характеристики (б).

Электрическая емкость двухтрубного датчика в функции высоты уровня топлива определяется уравнением прямой, не параллельной оси абсцисс

(4.1)

где – текущая электрическая емкость, пф;

– абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума ( =8,85·10^-2 пф/см);

– относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ( = 1);

– высота бака, см;

– высота уровня топлива в баке, см;

D, d – внутренний и наружный диаметры пары труб, см;

– относительная диэлектрическая проницаемость топлива ( ≈2).

На рис. 4.1, б изображены графики 1 и 2 зависимостей двух датчиков из труб с диаметрами D₁, d₁ и D₂, d₂, которые наклонены к оси абсцисс под углами и

При отсутствии топлива в баке, когда h=0, электрическая емкость «сухого» датчика

(4.2)

Емкость «сухого» датчика иначе называют начальной емкостью. Различные начальные емкости C₀₁ <С₀₂ датчиков (рис. 4.1, а) при одинаковых зазорах между их трубами объясняются разными значениями знаменателей в формуле (4.2) для левого и правого датчиков, у которых

При заполненном баке, когда h=H, оба датчика имеют наибольшие емкости и . Величины каждой из этих емкостей определяются выражением

(4.3)

Так как то При других значениях относительной диэлектрической проницаемости топлива максимальная емкость датчика соответственно равна

При линейной статической характеристике 2 (рис. 4.1, б) чувствительность датчика

(4.4)

где D₂ и d₂ – диаметры труб датчика с характеристикой 2.

Соответственно для датчика с характеристикой 1 чувствительность

(4.5)

Выражения (4.4) и (4.5) могут быть получены дифференцированием статической характеристики 1 по входной величине h

(4.6)

Датчики с характеристиками 1 и 2, изготовленные из труб с диаметрами D₁<D₂ и d₁<d₂, имеют разные начальные емкости С₀₁<С₀₂ и соответственно различные чувствительности k₁<k₂.

При проектировании конденсаторных датчиков стремятся получить повышенную чувствительность. Однако чрезмерное увеличение чувствительности при неизменном зазоре между трубами недопустимо, так как оно связано с увеличением начальной емкости С₀ датчика и соответственно его габаритов и массы. Поэтому основная задача конструкторов сводится к выбору оптимальных значений всех названных величин и прежде всего начальной емкости С₀.

Величину последней обычно выбирают такой, чтобы измерительная схема и все связанные с нею звенья обеспечивали заданную точность, высокую надежность и экономичность процесса измерения.

Наряду с чувствительностью свойства емкостного датчика с коаксиальным расположением труб характеризуются диапазоном изменения выходной величины С в процессе измерения. Диапазон определяется отношением конечной С_m к начальной С_о емкости датчика

(4.7)

где и – диэлектрические проницаемости жидкости и воздуха.

Один и тот же датчик при измерении уровней керосина ( ) имеет диапазон , а воды ( соответственно = 81. Начальная емкость этого датчика определяется выражением

(4.8)

В качестве измерительных схем большинства электрических уровнемеров с емкостными датчиками применяются мостовые схемы, питаемые переменным током частотой f=400 Гц.

Датчики названных уровнемеров имеют начальную емкость С₀ не менее 600 пф. Для получения такой емкости, при высотах баков от 400 до 1000 мм, применяют от трех до пяти коаксиально расположенных стандартных дуралевых труб Д1 или Д16Т с диаметрами 28×30; 33×35; 38×40; 43×45; 48×50. Устройство пятитрубного датчика показано на рис. 4.2.

Основные недостатки многотрубных конденсаторных датчиков:

а) сложность конструкции;

б) трудности получения одинакового зазора между смежными трубами;

в) большая масса.

Отмеченные недостатки в значительной мере могут быть устранены, если начальная емкость датчика выбрана малой величины (С₀ = 600 пф). Однако с уменьшением С₀ уменьшается чувствительность датчика k_д и соответственно топливомера.

(4.9)

где – чувствительности: датчика, измерительной схемы и указателя.

Т.к. снижение общей чувствительности топливомера нежелательно, то выбирая датчик с малой начальной емкостью С₀, необходимо позаботиться об увеличении чувствительности других звеньев, чтобы общая чувствительность сохранилась неизменно высокой. Чаще всего решение этой задачи осуществляют за счет измерительной схемы. Например, если в качестве последней применяется мостовая схема переменного тока, то ее чувствительность может быть, в частности, повышена увеличением частоты f питающего напряжения. Однако для получения напряжения повышенной частоты необходимы специальные генераторы, применение которых усложняет электрическую схему топливомера и несколько увеличивает его массу. Поэтому увеличение частоты источников питания целесообразно лишь в лабораторных условиях, когда требуется высокая точность измерения малых емкостей, а при больших габаритах системы оно не имеет существенного значения.

Сравнительно высокой чувствительностью обладают частотные измерительные схемы с генераторами, в колебательные контуры которых включены емкостные датчики. Изменение емкости датчика вызывает изменение частоты, измеряющейся специальным частотомером. Применение частотных схем позволяет применять датчики с малой начальной емкостью С₀ и, несмотря на это, получать чувствительные и точные системы контроля уровня и количества топлива в баках самолетов.

Несмотря на кажущуюся простоту, практическая реализация частотных систем задерживается из-за сложности растяжки диапазона измеряемого уровня по всей шкале указателя- частотомера, необходимости применения специальных звеньев, обеспечивающих совмещение механического к электрического нулей указателя, а также трудности осуществления переключения нескольких датчиков на измерение индивидуального и суммарного количества топлива в отдельных баках и в группе их.

Наиболее малогабаритными, и соответственно с малой начальной емкостью С₀ являются трехэлектродные емкостные датчики, включенные в схему трансформаторных мостов. Основным достоинством этих систем является независимость показаний от параметров соединительной линии, большая чувствительность и высокая точность измерения.

Выбрав соответствующую измерительную схему, удовлетворяющую основным техническим требованиям (высокая точность измерения надежности, экономичность, простота устройства и эксплуатации), определяют исходное значение емкости С₀ сухого датчика из стандартных труб с зазором между ними не менее 1,5 мм при измерении уровня керосина, масла и других диэлектрических жидкостей.

Расчет емкости датчика, измеряющего уровень диэлектрической жидкости, производят по формуле (4.1).

Если жидкость, уровень которой измеряют, электропроводка, тогда трубы изолируют специальными лаками или другими покрытиями.

Рисунок 4.3. Емкостный датчик с двухслойным диэлектриком между коаксиально расположенными трубами: а — основные размеры; б — электрическая схема.

В этом случае для обеспечения необходимого зазора между трубами толщина пленки изоляционных слоев должна учитываться. Расчет начальной емкости двухтрубного датчика с изоляционным покрытием труб (рис. 4.3) производят по формуле суммарной емкости трех последовательно включенных конденсаторов и

(4.10)

где – начальная емкость датчика;

– емкости конденсаторов с различными величинами диаметров а также разными значениями диэлектрических постоянных – пленки и – воздуха.

Каждая емкость, входящая в выражение (4.10), вычисляется по формулам

Рис. 4.4. Электрическая схема датчика с двухслойным диэлектриком, частично заполненного жидкостью.

(4.11)

где – высота бака.

Текущая емкость С_Э датчика, измеряющего высоту уровня электропроводной жидкости, когда 0<h<H, определяется суммой общих емкостей двух параллельных ветвей С_лев + +С_прав = С_Э, каждая из которых состоит из трех последовательно включенных конденсаторов ; ; и ; ;. (рис.4.4).

Соответственно емкости левой и правой ветви определяются выражениями

(4.12)

Емкости, входящие в (4.12), вычисляются по формулам

(4.13)

где – постоянный коэффициент;

– коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости изоляционной пленки, воздуха и электропроводной жидкости.

Рассмотренные выше емкостные датчики имеют практически неизменную длину труб, равную высоте бака. Поэтому в идеальном случае статическая характеристика датчика может быть представлена функцией одной независимой переменной — измеряемой высоты h уровня, изменение которой вызывает противоположное и разное по величине изменение емкостей левой и правой ветвей конденсаторов, которые приводят к изменению общей емкости датчика

При измерении высоты уровня электропроводной жидкости в качестве датчика можно использовать вертикально расположенный металлический стержень 1 (рис. 4.5), покрытый слоем изолирующей пленки 2 (полихлорвинил). Обкладками этого датчика будут являться стержень 1 и электропроводная жидкость 3, уровень которой относительно дна бака 4 имеет высоту h. При неизменной диэлектрической проницаемости изоляционной пленки емкость датчика определяется выражением

(4.14)

где , – наружные диаметры изоляционного покрытия и стержня.

Выражение (4.14) показывает, что емкость датчика в идеальном случае является функцией переменной – длины жидкой обкладки конденсатора, равной высоте уровня h электропроводной жидкости.

Емкость конденсатора, образованная участком стержня, находящимся над жидкостью и металлическими стенками бака, по сравнению с емкостью погруженной части будет пренебрежимо малой. Она особенно мала, если бак изготовлен из резины или другого изоляционного материала. В этом случае для контактирования с жидкой обкладкой датчика на дне бака устанавливают металлическую пластинку, которую связывают проводом с измерительной схемой.

Рис. 4.5. Стержневой электроемкостный датчик (а) и его статическая характеристика (б).

Графиком статической характеристики (4.14) является прямая С_х(h), выходящая из начала координат. Угловой коэффициент графика С_х(h), численно равный чувствительности к_х датчика (рис. 4.5), зависит от конструктивных параметров d₁ и d₂, а также от величины диэлектрической проницаемости ξ_х изоляционного покрытия стержня 1

, (4.15)

Для повышения чувствительности датчиков вместо центрального стержня 1 применяют трубу (рис. 4.6), имеющую внутренний d₁ и наружный d₂ диаметры стенки, на поверхностях которой находятся слои изоляционного покрытия с диаметрами d₁ и d₄. Статической характеристикой этого датчика является зависимость

, (4.16)

где С_ВН, С_НАР — емкости внутреннего и наружного конденсаторов;

h— текущая высота уровня.

Рис. 4.6. Трубчатый стержень с изоляционными покрытиями.

Диапазоны изменения емкостей датчиков с изоляционными покрытиями электродов из-за очень малых значений начальных емкостей достигают бесконечно больших значений. Для датчика (рис. 4.5) диапазон соответственно равен

(4.17)