2. Трехэлектродные конденсаторные датчики топливомеров

Эксплуатируемые в настоящее время и рассмотренные выше конденсаторные датчики топливомеров относятся к классу так называемых двухэлектродных конденсаторов независимо от числа труб. Отличительной особенностью их является наличие двух групп электродов, которые разделены контролируемым веществом-диэлектриком, а также диэлектриком изоляторов, к которым крепятся электроды.

Недостатки таких конденсаторов:

а) изменение диэлектрических свойств изоляторов в датчике, которое приводит к изменению общих емкости и потерь в конденсаторном датчике;

б) емкость соединительной линии при дистанционном измерении емкости датчика включается параллельно емкости датчика.

Для снижения влияния непостоянства емкости соединительной линии и повышения точности измерения в эксплуатируемых топливомерах начальная емкость датчика выбирается много больше возможной емкости соединительной линии.

В последние годы в измерительной технике широкое применение стали находить многоэлектродные и особенно трехэлектродные конденсаторы с группами электродов. Каждая пара групп электродов образует между собой емкости [23]. Эти емкости называются частичными.

Рисунок 4.15. Трехэлектродный конденсатор:

а — конструкция конденсатора; б — схема замещения.

В трехэлектродных системах (рис. 4.15) имеются три частичные емкости — С₁₂, C₁₃, С₂₃. В большинстве случаев измерение производят только одной емкости С₁₂, которую называют главной или прямой емкостью системы. Две другие емкости С₁₃ и С₂₃ называют земляными или частичными емкостями, так как третий электрод конденсатора обычно заземляют.

Основное преимущество трехэлектродных конденсаторов заключается в том, что прямая емкость конденсаторов зависит от диэлектрических свойств вещества между электродами 1 и 2, их площади и расстояния между ними и не зависит от других частичных емкостей и емкостей кабеля. В то же время прямая и частичные емкости трехэлектродного конденсатора по свойствам подобны емкостям двухэлектродного конденсатора. Кроме того, емкость соединительных линий в этом случае включается параллельно частичным емкостям, ее величина и изменения не влияют на величину прямой емкости С₁₂. Следовательно, длина проводов и их емкость могут меняться с широких пределах в процессе измерения.

Другое преимущество трехэлектродного конденсатора за­ключается в том, что при правильной конструкции такого кон­денсатора его прямая емкость не зависит от диэлектрических свойств изоляторов, которыми укреплены электроды. Электрические потери у прямой емкости C₁₂ определяются лишь потерями в контролируемом диэлектрике.

Указанные преимущества трехэлектродных конденсаторов, полностью проявляются при относительно низких звуковых, частотах.

Как указывалось выше, прямая и частичные емкости трех­электродного конденсатора по свойствам вполне подобны емкостям двухэлектродного конденсатора. Поэтому все приведенные выше рассуждения, связанные с профилировкой двухэлектродных датчиков топливомеров, справедливы и при профилировке трехэлектродных конденсаторных датчиков, но относятся только к его прямой емкости C₁₂.

Все положительные свойства трехэлектродных конденсато­ров можно получить только при измерении их прямой емкости специальным измерительным прибором.

Электроды трехэлектродных конденсаторов, как и двухэлектродных, можно включать в различных сочетаниях, но при этом выводы от их активных электродов 1 и 2 (рис. 4.16) должны быть присоединены к экрану 3 или к соответствующим точкам измерительной цепи. Ни в коем случае любой из этих выводов не должен оставаться свободным, так как в таком случае возникает погрешность из-за суммирования их емкостей.

На рис. 4.16 показана одна из возможных конструкций коаксиального трехэлектродного датчика топливомера. Прямая емкость этого датчика образуется емкостью между низкопотенциальным 1 и высокопотенциальным 2 электродами датчика. Частичные емкости датчика образуются емкостями между заземленным электродом 3 и соответствующим главным электродом датчика.

При такой конструкции датчика изменения диэлектрических свойств изоляторов электродов, вызванные изменением их температуры, выпадением осадков из топлива и т. п., приводят к изменению частичных емкостей С₁₃ и С₂₃, но не вызывают изменения прямой емкости С₁₂ датчика.

Емкость конденсаторного датчика уровня топлива может быть представлена одной из трех схем замещения, состоящих из двух параллельно включенных конденсаторов (рис. 4.17).

В первом случае емкость датчика С_х равна сумме емкостей верхнего конденсатора С₁ находящегося в газообразной среде над топливом с диэлектрической проницаемостью ξ_г, и нижнего конденсатора С₂, помешенного в топливо с диэлектрической проницаемостью ξ_т. Как С₁ так и С₂ — переменные емкости, зависящие от h. Можно записать:

С_х = C₁ + С₂ = ξ_ГC₀ (l — h) + ξ_Т C₀h , (4.43)

где С₀ — погонная емкость датчика; h — высота уровня топлива, l— длина датчика.

Рисунок 4.16. Коаксиальный трехэлектродный емкостный датчик топливомера: 1 — низкопотенциальный электрод; 2 — высокопо­тенциальный электрод; 3 — заземленный элек­трод; 4 — изоляторы.

Рисунок 4.17. Схемы замещения емкостного датчика топливомера: 1 - первый случай; 2 — второй случай; 3 — третий случай.

Во втором случае емкость конденсатора С_х постоянна и равна емкости датчика, помещенного в газообразную среду, т. е.

.

Емкость конденсатора С₂ равна приращению емкости датчика при погружении его в топливо на глубину h, т. е.

.

Таким образом, в этом случае емкость датчика равна

С_х = С₁₊ С₂ = ξ_ГС₀l + (ξ_T – ξ_Г ) C₀h . (4.44)

В третьем случае емкость конденсатора С₂ постоянна и равна емкости датчика, полностью погруженного в топливо, т. е..

С₂=ξ_ТС₀l.

Емкость конденсатора С₁ равна уменьшению емкости датчика за счет появления над топливом газообразного слоя толщиной l—h, т. е.

С₁ = — (ξ_T - ξ_Г)С₀(l - h).

Следовательно, в этом случае

С_Х = С1+ C₂ = ξ_TC₀l - (ξ_T - ξ_Г)C₀(l - h). (4.45)

Представление емкостного датчика, находящегося в среде без диэлектрических потерь, в виде соответствующей схемы замещения имеет большое практическое значение. Для каждой схемы замещения имеется своя схема измерительного устройства, позволяющая определять уровень h топлива, с минимальным числом регулируемых параметров и образцовых мер.