Разработка и проектирование емкостного датчика в пылемере

    Инклинометр спроектирован так, что имеет  линейную зависимость выходного  сигнала от угла наклона в одной  – так называемой рабочей плоскости  и практически не изменяет показания  в другой (нерабочей) плоскости, при  этом его сигнал слабо зависит  от изменения температуры. Для определения  положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под  углом 90° друг к другу инклинометра.

    Малогабаритные  инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона  датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные  размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте  и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими  угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных  объектах.

    Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

    Емкостной преобразователь для измерения  уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных  конденсатора.

    Датчики давления

    Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления.

    Такой датчик состоит из металлической  ячейки, разделенной на две части  туго натянутой плоской металлической  диафрагмой, с одной стороны которой  расположен неподвижный изолированный  от корпуса электрод. Электрод с  диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную  схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму  и изменяет емкость, что фиксируется  измерительной схемой.

    В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

Преимущества  емкостных датчиков по сравнению с  датчиками других типов

    Емкостные датчики обладают целым рядом  преимуществ по сравнению с датчиками  других типов. К их достоинствам относятся:

• простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;
• малые габариты и вес;
• низкое потребление энергии;
• высокая чувствительность;
• отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);
• долгий срок эксплуатации;
• потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;
• простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

    Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные  и надежные конструкции. Параметры  конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

    Ценные  качества емкостных датчиков – малая  величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной  части, возможность регулировки  выхода следящей системы и высокая  точность работы – делают емкостные  датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности  лишь в сотые и даже тысячные доли процента.

    Недостатки  емкостных датчиков

    К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

• сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);
• высокие требования к экранировке деталей;
• необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.

    Однако  в большинстве случаев можно  добиться достаточной экранировки  за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики  дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными  размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой  степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его  влияние за границы поверхности  обкладок, реально используемой при  измерении.

    При применении емкостных выключателей важно защититься от ложных срабатываний, которые могут быть вызваны, например, атмосферными осадками (налипание снега), технологическими жидкостями и др. (случайное прикосновение оператора  к выключателю также вызовет  его срабатывание). Чтобы скомпенсировать  влияние осадков, пыли (при производстве стройматериалов), защитных перегородок  т.п., введена регулировка чувствительности выключателя встроенным Разнообразие объектов воздействия, вызывающих срабатывание емкостных датчики, обуславливает  широкий областей, в которых они  применяются.

    Классификация емкостных датчиков

    По  способу исполнения все емкостные  измерительные преобразователи  можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики.

    Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

    Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура.

    Двухъемкостные датчики

    Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению  с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

    В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор  разместить в одном корпусе с  рабочим, выполнить их по возможности  идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет  обеспечена значительно меньшая  чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим  воздействиям. В таких случаях  можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

    Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения. 
 

Особенности эксплуатации

    Возможно  применение емкостных датчиков в  пищевой и в химической отраслях промышленности. При этом для исключения непосредственного контакта активной поверхности выключателя с пищевыми продуктами или с химически агрессивными средами, можно рекомендовать использовать защитную диэлектрическую перегородку, изготовленную из соответствующих  материалов. При необходимости обнаружения  веществ и материалов, находящихся  за металлической стенкой, в ней  следует выполнить окно, закрытое диэлектрической перегородкой, перед  которой устанавливают емкостный  выключатель. Толщина перегородки  должна быть значительно меньше расстояния воздействия выключателя, а диэлектрик должен иметь малую диэлектрическую проницаемость Er.

    2.3. Расчет емкостных датчиков

    Принцип действия емкостной измерительной  системы основан – на том, что  с измерением размера контролируемой детали изменяется емкость конденсатора датчика. Измеряя тем или иным путем эту емкость, можно судить о размере изделия.

    Емкостный метод контроля может быть как  контактным, так и бесконтактным. При бесконтактном методе одной  из пластин конденсатора служит само контролируемое изделие; при контактном методе емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого связана с измерительным стержнем. Бесконтактный метод находит  ограниченное применение.

    Емкостные датчики работают только с преобразующими электросхемами. Применяются в основном два типа схем: преобразующая схема, работающая как прецизионный измеритель емкости по методу моста, в одно из плеч которого включен датчик, и схема с включением емкостного датчика в контур задающего генератора. В первом типе схем при изменении емкости датчика в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, которое может быть использовано непосредственно для отсчета или как напряжение, приводящее в действие сервосистему, осушествляющую нулевой баланс моста. Во втором типе схем при изменении емкости меняется частота генератора. По величине изменения частоты можно судить о размере изделия. Эта схема значительно чувствительнее мостовой, но более подвержена всевозможным влияниям извне. Емкостные датчики имеют ряд преимуществ перед другими датчиками; линейное изменение параметра (емкости) в довольно широких пределах рабочего хода, обеспечивающее при этом очень высокую точность измерения (до долей микрона); измерительное усилие датчика может быть столь незначительным (несколько грамм), что датчик может конкурировать с бесконтактными методами измерения; при включении в соответствующую схему емкости датчика могут быть использованы для дифференциальных измерений.

    На  рис. а приведена типовая схема  включения емкостного датчика. На неподвижные  электроды датчика подается переменное напряжение с частотой 50 гц от трансформатора Тр с заземленной средней точкой. При смещении подвижного электрода В относительно нейтрального положения на сетке лампы появляется напряжение, которое после усиления подается к электродвигателю Д.

    При работе электродвигателя щетка реохорда Р перемещается до тех пор, пока напряжение на катоде лампы не станет равным напряжению на сетке. На одной оси с реохордом  находится шкала, проградуированная  в единицах измеряемой величины. На диске шкалы смонтирован упор. При предельных размерах детали он воздействует на концевые выключатели; при этом подается импульс на исполнительное реле.

    Такого  рода емкостный датчик является дифференциальным, так как в нем имеется одна подвижная В и две неподвижные  А и С пластины, что увеличивает  чувствительность датчика.

    В емкостном датчике переменным электрическим  параметром является емкость конденсатора

    где ε – относительная диэлектрическая  проницаемость среди между пластинами конденсатора;