Разработка и проектирование емкостного датчика в пылемере

    Глава 2. Измерение концентрации пыли

    2.1. Общая классификация методов измерения концентрации пыли

    Методы  измерения концентрации пыли делятся  на две группы:

    - основанные на предварительном  осаждении частиц пыли и исследовании  осадка;

    -  без предварительного осаждения.

    Преимущества  методов первой группы: возможность  измерения массовой концентрации пыли.

    Недостатки  методов первой группы:

    - циклический характер осаждения;

    - большая трудоемкость;

     - низкая чувствительность.

    Преимущества  методов второй группы:

    - отсутствие необходимости использовать  пробоотборное устройство;

    - непрерывность измерений;

    - высокая чувствительность;

    - возможность полной автоматизации  процесса.

    Недостатки  методов второй группы:

    - влияние на результат свойств  пыли;

    - влияние на результат внешних  факторов: температуры, влажности  среды и т.д.

    Применительно к непрерывному промышленному контролю наиболее приемлем второй метод, так  как это позволяет организовать автоматическое регулирование режимов  работы оборудования, установить сигнализацию об увеличении концентрации пыли выше допустимой.

    Методы  измерения концентрации пыли с помощью  предварительного осаждения  пыли. Существуют следующие методы измерения концентрации пыли:

    - весовой метод;

    - денситометрический метод;

    - радиоизотопный метод;

    - метод, основанный на улавливании  пыли водой;

    - метод механических вибраций;

    - метод, основанный на измерении  перепада давления.

    Методы  измерения концентрации пыли без предварительного осаждения. Эти методы не требуют предварительного осаждения пыли и являются в основном бесконтактными. Определение в них концентрации пыли идет с помощью измерения оптических, электрических или других косвенных параметров пылегазовой смеси. К ним относят следующие методы:

    - абсорбционный метод;

    - метод интегрального светорассеивания;

    - метод лазерного зондирования (лидарный метод);

    - индукционный метод;

    - контактно-электрический метод;

    - емкостный метод;

    - пьезоэлектрический метод.

 

 

    2.2. Аналитический обзор емкостного датчика

    Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

    Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Наиболее часто емкостные датчики применяют для измерений меняющихся давления или уровня, точных измерений механических перемещений и т. п.

Устройство  и принципы работы емкостного датчика

Рис. 1. Устройство емкостного датчика

          Емкocтный бecконтакный датчик функционирует следующим образом:

1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

    Активная  поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рис. 1.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал.

    Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала Sr (см. график зависимости Sr от Er (Рис. 2.) и таблицу диэлектрической проницаемости материалов ). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от Er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определени реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn.

Рис. 2. Зависимость реального  расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта Er

Диэлектрическая проницаемость некоторых  материалов: Материал - Er

 
 

    Области применения емкостных  датчиков

    Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти  во всех отраслях промышленности. Емкостные  датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным  или зернистым веществом, как  конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных  механизмов и т. д. В настоящее  время наиболее широкое распространение  получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики  приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности.

    Типичными областями использования емкостных  датчиков этого типа являются:

• сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;
• контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;
• сигнализация обрыва обмоточного провода;
• регулирование натяжения ленты;
• поштучный счет любого вида и др.

    Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах. Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика.

    В качестве основных можно считать  следующие области применения инклинометров:

• использование в системах горизонтирования платформ;
• определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок;
• контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации;
• определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин;
• определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов – валов, колес, механизмов редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах.

    Датчики линейных перемещений

    Неэлектрические величины, подлежащие измерению и  контролю, весьма многочисленны и  разнообразны. Значительную их часть  составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем  зазоре равномерно, могут быть созданы  конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов: с  переменной площадью электродов; с  переменным зазором между электродами. Достаточно очевидно, что первые более  удобны для измерения больших  перемещений (единицы, десятки и  сотни миллиметров), а вторые –  для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

    Датчики угловых перемещений

    Емкостные измерительные преобразователи  угловых перемещений подобны  по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики  с переменной площадью также более  целесообразны в случае не слишком  малых диапазонов измерения (начиная  с единиц градусов), а емкостные  датчики с переменным угловым  зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для  угловых перемещений используют многосекционные преобразователи  с переменной площадью обкладок конденсатора. В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

    Инклинометры

    Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент  в форме капсулы.

    

    Рис. 3. Устройство емкостного инклинометра

    Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим  слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость  корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим  электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального  конденсатора, которая линейно зависит  от положения корпуса в вертикальной плоскости.