Ємнісний метод вимірювання рівня.

Ємнісний первинний вимірювальний перетворювач (ЄПВП) являє собою ЗВ для перетворення механічних переміщень або зміни діелектричної проникності продукту чи інших його параметрів в ємність електричного ланцюга. ЄПВП являє собою площинно-паралельний (плоский) або циліндричний електричний конденсатор, у якого, при зміні вимірюваної величини (параметру), змінюється зазор між його обкладинками або площина їхнього взаємного перекриття, або його діелектрична проникність.

Ємність плоского конденсатору визначається загальновідомою формулою: С = ε ּ ε₀ (S/d), (1)

тобто, є функцією діелектричної проникності ε середовища між пластинами

(обкладинками) конденсатора, площини S та відстанню (зазором) d між ними (ε₀ - діелектрична постійна вакууму, яка дорівнює 8,85ּ10 ^-12 Ф/м).

Таким чином, всі три параметри (ε, S та d) можна використовувати для побудови ємнісних ПВП, роблячи залежними від вимірюваної неелектричної фізичної величини тільки один із них. Можлива побудова ЄПВП у вигляді конденсаторів змінної ємності з функціями перетворення вигляду:

С = f (d_x); (2) С = f (ε_x); (3) С = f (S_x); (4).

Конструктивне виконання окремих типів ЄПВП відрізняється великим різноманіттям, але в основі своїй всі будуються по одній із приведених залеж-ностей. Вони можуть бути недиференціальні та диференціальні (різницеві).

Найбільшого розповсюдження набули плоскі ЄПВП по залежності (2), вхідною величиною яких є переміщення d_x. Недиференціальний ЄПВП складається із одного конденсатора, який вміщує рухому та нерухому обкладинки конденсатора, що розділені повітрям або вимірюваним середовищем, причому рухома обкладинка зв’язана, наприклад, з щупом, який в свою чергу переміщується при зміні лінійного розміру вимірюваного параметра.

Ще приклад (рис. 1) використовування ЄПВП - це ємнісні вимірювачі тиску,

в яких переміщення мембрани деформаційного манометра, що пов’язане зі

зміною вимірюваного тиску, перетворюється у електричний сигнал (ємність).

Такі ЄПВП реалізовують або недиференціальний метод вимірювання (одно статорні), коли одна обкладинка 2 конденсатору (рис.1,а) конструктивно виконується нерухомою в середині мембранної коробки, а функцію другої обкладинки 1 виконує мембрана манометра, або це – дифманометри (двостаторні рис. 1,б), в яких мембрана 3, що вміщує обкладинку конденсатора 1, переміщується між двома нерухомими 2 та 4 пластинами (під нижню частину мембрани подають другий із тисків, як показано на рис.1,а). При цьому значення ємностей С1 та С2 пропорційні своїм тискам, а різниця – є вихідним сигналом дифманометра.

Рис.1. Схеми ємнісних вимірювальних перетворювачів тиску.

 

У відповідності із залежністю (1), функція перетворення ЄПВП на рис.1,а,

якщо безпосередньо вимірювати зміну ємності від величини вимірюваного

тиску, - є нелінійна (являє собою гіперболу), так як параметр d_x знаходиться у знаменнику. В той же час, якщо вимірювати реактивний ємнісний опір Х_с такого ПВП, то можна отримати і лінійну характеристику перетворення:

Х_с = 1/ ωС = d_x /(2 π ּ ε₀ ּ ε ּ S), (5)

де ω - кутова частота струму збудження, рад.; ω = 2 π f;

f - частота струму збудження (Гц).

Використовуються також диференціальні ємнісні ПВП, які вміщують два конденсатори, ємності яких змінюються з різним знаком від вимірюваного параметру, наприклад, для вимірювання витрати газів по перепаду тиску у звужувальних соплах. В цьому випадку манометрична коробка розділена пополам мембраною, яка є одночасно загальною рухомою обкладинкою для двох плоских конденсаторів, нерухомі обкладинки яких знаходяться в двох різних камерах із різними тисками. Під дією різниці тисків рухома мембрана зміщується в тому чи іншому напрямку відносно нерухомих пластин, що приводить до відповідних протилежних змін реактивних ємнісних опорів. Нерухомі обкладинки (пластини) конденсаторів закріплюються за допомогою ізолюючих втулок, що виготовлені із матеріалу з великим діелектричним

опором, на одній та другій половинках манометричної коробки.

Недиференціальні ЄПВП для вимірювання лінійних переміщень, що

Рис.2. Ємнісний циліндричний ПВП для вимірювання лінійних переміщень.

 

працюють по зміні площини перекривання пластин (рис.2), частіше всього являють собою два коаксіальних циліндри (більший - з внутрішнім діаметром D

та менший з зовнішнім діаметром d) і зазором між ними, що значно менший,

ніж діаметри циліндрів. Зміна ємності С = f (S_x) визначається значенням L_х

перекриття рухомого 2 і нерухомого 1 циліндрів. В таких ЄПВП між циліндром

1 та 2 розміщується для покращення ізоляції діелектрик з проникністю ε_д і,

який, крім цього, дозволяє суттєво збільшити чутливість ЄПВП.

Функція перетворення такого ЄПВП має лінійний характер за залежністю (6):

С_х = 2π ε_д ּ ε₀ [ L_х/ln(D/d)] = k ּ L_х, (6)

де D і d – відповідно внутрішній діаметр зовнішнього циліндра 1 та зовнішній діаметр рухомого циліндра 2.

Наприклад, швейцарська фірма «Мезельтрон» виготовляє прилади контролю лінійних розмірів деталей з ЄПВП і ціною поділки 0,0001мм у діапазоні вимірювання до 30 мм та абсолютною похибкою не більше 0,0003 мм.

Використовуються ємнісні перетворювачі і з більш складною функцією

Рис.3

перетворення. Наприклад, для вимірювання рівня рідини в резервуарі 1 (рис.3), використовується ПВП, який використовує одночасно дві функції перетворення С_х=f(s) i С_х = f(e) і який являє собою діелектричну трубу (із скла або пластмаси), що з’єднана за законом сполучених посудин із резервуаром 1 та

оснащена металевими обкладинками 2. Схему такого ПВП, який реалізує ємнісний метод вимірювання рівня, можна подати у вигляді паралельно

з’єднаних ємностей С_р (ємність від діелектричної проникності рідини

та площини пластин 2, яку вона перекриває в залежності від її рівня) і С_п (ємність порожньої частини труби, яка заповнена повітрям).

Значення цих ємностей можна записати формулами:

С_р = (ε_р ּ ε₀ S_р)/d (7) та С_п = (ε_п ּ ε₀ S_п)/d, (8)

де ε_п і ε_р – діелектричні проникності повітря та контрольованої за рівнем

Рис.3. Ємнісний ПВП для вимірювання рівня рідин

 

рідини; S_р = k ּ x - площина пластин, яка перекрита рідиною; S_п = k ּ (L₀ –x) – повітряна частина поверхні пластин; х – висота вимірюваного рівня в

резервуарі 1; k - постійний коефіцієнт, який залежить від конструкції ПВП.

А сумарну ємність ПВП можна подати виразом:

С_х = С_р + С_п = С₀ + к₁ ּ х, (9)

де С₀ та k₁ – постійні коефіцієнти;

С₀ = (ε_п ּ ε₀ ּ k ּ L₀) /d - ємність порожнього ПВП; а k₁= [ k ּ ε₀ (ε_р - ε_п)]/ d.

При незмінній діелектричній проникності рідини, ємність ПВП прямо

пропорційна висоті рівня в резервуарі.

В багатьох випадках конструкцію ємнісного ПВП спрощують, наприклад,

для вимірювання рівня не електропровідних рідин (рис. 4,а) одна із обкладинок конденсатора виконується у вигляді циліндричного жорсткого металевого стержня 2 (іноді у вигляді троса, кабелю, рідше пластинчастим), і для вимірювання рівня електропровідних рідин (рис. 4,б), зовнішня поверхня стержня 2 покривається ізоляцією 5, наприклад, фторопластом. В якості другої обкладки конденсатора в цьому випадку використовується циліндрична стінка металевого корпусу резервуара 1. На рис. 4 (а та б) поз.4 зображений прохідний ізолятор, на якому закріплюється стержень 2.

Якщо резервуар має великі розміри або його стінки неметалеві, то в цьому

випадку ізольова­ний електрод 2 вставляється у трубу 3 більшого діаметру, яка

є другою обкладинкою такого циліндричного конденсатора (рис. 7) і яку називають вимірювальною референц-трубою. Ізольований електрод 2 розмі-щують паралельно осі референц–труби і останню заземлюють.

В деяких випадках паралельно ізольованому стержню просто монтуються металеві електроди (стержні, труби, смуги) на відповідній відстані,

рекомендованій заводом-виготовлювачем. Для випадку із референц-трубою, ємність такого циліндричного ПВП описується теж залежністю (6), в якій D та d відповідно будуть внутрішній діаметр референц-труби та зовнішній діаметр ізольованого стержня.

Загальна електрична ємність такого ПВП (рис. 4, а) С_х має вигляд:

С_х = С_п + С_р = 2π ε₀ {[ε_п ּ H₀ + (ε_р - ε_п)ּ H ]/ ln(D/d)}, (10)

де H₀ та Н – відповідно довжина ізольованого стержня та рівень рідини.

За незмінності ε_р статична характеристика перетворення С_х = f(H) лінійна і

теж описуються залежністю (9). Значення постійних С₀ та к₁ відрізняються тільки знаменниками, які замість d вміщують ln(D/d).

 

 

а) б) в)

Рис. 4. Схеми: ЄПВП а) для вимірювання рівня не електропровідних та б) електропровідних рідин; і в) - варіант моста змінного струму.

Деталі датчика, що стикаються з середовищем, виготовляються зі сталі

12X18Н10Т або ж покриваються ізоляцією з фторопласту, поліетилену та інших ізоляційних матеріалів. ПВП виготовляються на різні діапазони вимірювання (0-1,0 м; 0-1,6 м;...; 0 - 20 м). Електрична ємність ПВП залежить від його довжини.

Для подальшого перетворення зміни ємності в ПВП у сигнал, який може бути переданий на деяку відстань або відображений на шкалі вторинного приладу, використовуються, як правило, мостові схеми змінного струму або генераторні перетворювачі. Принципова електрична схема одного із варіантів моста змінного струму наведена на рис. 4,в. Він являє собою індуктивно-ємнісний рівноважений (один раз при налаштуванні) міст, що складається із двох вторинних обмоток трансформатора Тр.2, які утворюють індуктивності L₁ та L₂ у двох суміжних плечах моста і через які здійснюється живлення моста. Третє плече утворене змінною ємністю С, за допомогою якої досягається врівноважування моста при мінімальному (початковому) значення рівня, та резистором R для встановлення діапазону вимірювань.

Ємнісий ПВП С_п складає четверте плече моста. Вимірювальний міст живиться від генератора Г синусоїдальних коливань частотою до 100 кГц. Сигнал небалансу мосту, пропорційний значенню рівня, подається на вторинний прилад ВП (мілівольтметр або потенціометр).