Разработка и проектирование емкостного датчика в пылемере

    S – площадь пластин, см ;

    δ – воздушный зазор между пластинами, см.

    Зависимость (1) является нелинейной, однако при  малых перемещениях х пластин по сравнению с начальным расстоянием между пластинами ее можно считать приближенно линейной. Действительно, при перемещении пластины конденсатора – на величину х его емкость

           (2)

    Умножая и деля последнее равенство на (1 +   ) и пренебрегая в знаменателе величиной второго порядка малости   получаем

           , (3)

    Емкостные датчики выполняются не только в  виде расходящихся пластин (рис. 87, б, в), но и в виде поворотных пластин (рис. 87, г) или выдвииных цилиндров (рис. 87, д).

    Емкость датчика с поворотной пластиной

    где α – угол поворота подвижной пластины,

      – площадь взаимодействия между  пластинами

    α = 0.

    Емкость цилиндрического конденсатора

    где Н – глубина погружения внутреннего  цилиндра во внешний;

    r  – радиус внутреннего цилиндра;

    r  – радиус внешнего цилиндра.

    Увеличение  емкости датчика можно достигнуть увеличением диэлектрической постоянной среды или увеличением числа пластин, т. е. площади пластин. 

    Глава 3. Разработка и проектирование емкостного датчика в пылемере

    Пылемер может быть построен на основе различных  принципов – оптического, радиоактивного, весового и др. Наиболее удобными, простыми и безопасными в обращении  следует признать емкостные (импедансные) концентратомеры мучной пыли. Действие их основано на диэлькометрическом методе: диэлектрическая проницаемость (в общем случае – удельная комплексная электропроводность на переменном токе) смеси, заполняющей емкостный датчик, монотонно (в первом приближении – линейно) возрастает с увеличением концентрации мучной пыли в ПВС. 

    3.1. Емкостной датчик в пылемере для измерения концентрации мучной пыли

        Датчик емкостного пылемера представляет собой два электрода, размещенные на поверхности диэлектрического отрезка трубы, врезанного в пылепровод. Конфигурация электродов может быть различной, основное требование – создать по возможности равномерное электрическое поле в поперечном сечении объема датчика (чтобы уменьшить влияние неравномерного распределения плотности пыли по сечению потока). Можно рассмотреть несколько различных конструкций емкостного датчика:

    ─ в виде набора прямоугольных пластин, расположенных по периметру трубы  и соединенных одна с другой через одну (при этом нечетные пластины образуют один электрод, четные – другой); в виде двух полос, изогнутых по двухзаходной винтовой линии и расположенных одна напротив другой;

    ─ в виде двух полуцилиндров, разделенных  по образующим, параллельным оси датчика, и т.п. Эффективность той или иной конструкции, которая оценивается по величине начальной емкости пустого датчика и по величине приращения емкости после его заполнения мучной пылью, для перечисленных вариантов приблизительно одинакова. Для того, чтобы исключить или существенно уменьшить паразитные емкости датчика за счет силовых линий между внешними поверхностями электродов, пластины окружают с внешней стороны электростатическим экраном, который при использовании традиционной трехточечной схемы подключения датчика заземляют, а при использовании датчика с одним заземленным электродом – подключают к точке измерительной цепи с защитным потенциалом. Внутренняя поверхность электродов отделяется от полупроводящей ПВС тонким слоем диэлектрика. При этом конструкция датчика должна обеспечивать защиту его внутренней поверхности от абразивного воздействия мучной пыли, загрязнения и образования нежелательных токопроводящих мостиков и перемычек. 
 

    3.2. Частота измерительного сигнала 

    В принципе для диэлькометрических измерений  пригоден измерительный (тестовый) сигнал любой частоты звукового или ультразвукового диапазона, какие - либо особые требования к выбору частоты могут быть связаны с электрофизическими свойствами объекта измерения. Проведенные исследования показали, что в случае измерения концентрации взвешенной в воздухе мучной пыли, имеющей сложный физико-химический состав, наиболее адекватные результаты получаются при частотах измерительного сигнала около 1 МГц. Это значение рабочей частоты и выбрано в описываемом емкостном пылемере. 

    3.3. Измерительная цепь и схема подключения емкостного датчика 

    Измерительная цепь представляет собой полууравновешенный мост переменного тока, в котором емкость датчика сравнивается с емкостью образцового конденсатора. После установки на объект мост уравновешивается вручную при пустом датчике. При заполнении пылевоздушной смесью мост выходит из равновесия, его выходной сигнал, приблизительно пропорциональный процентному содержанию муки в ПВС, усиливается, выпрямляется, фильтруется от переменной составляющей, усредняется для уменьшения влияния флюктуаций входной величины и передается на выход устройства. Имеется два выхода: стандартизованный токовый выход 0.5 мА для системы автоматического управления и контрольный выход по постоянному напряжению 0.3 В.

     рис.1

    Традиционной, широко применяемой схемой включения  емкостного датчика является так  называмая трехзажимная (или трехточечная) потенциально-токовая схема (рис.1) когда оба электрода конденсатора датчика Сд изолированы от земли, один из них подключен к генератору Г, второй – ко входу измерителя тока или индикатора И. Оба подключающих провода, как и сам датчик, заключены в экран, соединенный с землей (рис. 2, а, где показан поперечный разрез датчика; 1 – труба из диэлектрика; 2, 3 – электроды емкостного датчика; 4 – наружные экраны электродов; 5 – экраны соединительных проводов; 6 – корпус датчика). В такой схеме легко устраняется влияние паразитных емкостей подводящих проводников, в качестве которых могут быть использованы отрезки коаксиального кабеля или обычного экранированного провода.

     рис.2

    Однако  в практике попытка использования такой схемы в емкостном пылемере не дает удовлетворительных результатов. При увеличении концентрации муки γ в ПВС вначале происходит ожидаемое возрастание выходного сигнала Uвых пылемера, но по достижении некоторой, достаточно высокой концентрации, рост Uвых замедляется, затем останавливается, а при дальнейшем ее увеличении входной сигнал начинает уменьшаться (рис. 3). 

    Детальное исследование этого явления позволяет прийти к следующим выводам. Электропроводящая среда между электродами емкостного датчика (принципиально не важен характер этой электропроводности – емкостная, активная или комплексная, а важно наличие диэлектрического покрытия электродов) выполняет двоякую роль. С одной стороны, она увеличивает результирующую электропроводность между пластинами датчика, в результате чего чем выше модуль удельной проводимости, тем больший ток протекает через цепь. С другой стороны, проводящая среда между электродами, имея вне датчика хороший контакт (гальванический или емкостный) с заземленными трубопроводами, играет роль электростатического экрана. При повышении электропроводности этого экрана все большая часть тока от высокопотенциального электрода уходит через экран на землю, благодаря чему ток на выходе датчика уменьшается. При больших удельных электропроводностях ПВС второй эффект начинает преобладать, и зависимость Uвых от γ приобретает вид рис. 3 (производная функции уменьшается до нуля, а затем меняет знак на противоположный).

    Избежать  подобной немонотонности и неоднозначности кривой Uвых=f(γ) можно, если изменить конструкцию и схему включения емкостного датчика, соединив один из его электродов (3 – на рис. 2, б; обозначения элементов аналогичны рис. 2, а) с землей. Это влечет за собой необходимость изменения и измерительной цепи устройства. Второй электрод, высокопотенциальный или «горячий» (3 − на рис. 2, б) присоединяется к электронному блоку проводом, который для защиты от влияния паразитных емкостей должен быть заключен в два экрана – внутренний, эквипотенциальный, на который подается напряжение, равное и синфазное с напряжением на «горячем» электроде, и внешний, заземленный. Однако при этом возникает необходимость измерять ток в проводе, находящемся под высоким потенциалом. Исключить большие погрешности, связанные с утечками тока через паразитные емкости, удается благодаря разработанному в ИЭД НАНУ принципу построения с использованием так называемого трансформатора с продольно экранированной обмоткой – ТПЭО.

    На  рис. 4 показана функциональная схема  емкостного пылемера. Она включает стабилизированный по амплитуде  генератор ГС синусоидального напряжения UГ частотой 1 МГц, трансформатор ТПЭО, операционный усилитель ОУ, выпрямитель В, масштабирующий усилитель МУ, усредняющее устройство (фильтр нижних частот первого порядка ФНЧ) со ступенчато регулируемой постоянной времени – для выбора необходимой степени усреднения сигнала, повторитель напряжения ПН, измерительный преобразователь напряжение-ток U/I, образцовые конденсаторы С0 и Сос, переменный компенсационный резистор RК и два потенциометра RP1 и RP2. Питающее напряжение UГ с выхода генератора ГС подается на ТПЭО, представляющий собой ферритовый сердечник, на который нанесена обмотка из тонкого коаксиального кабеля. Экранирующая оболочка кабеля используется в данном случае как первичная обмотка, ее нижний (по схеме) конец заземлен. Вторичная обмотка (образованная внутренним проводником кабеля) включена между «горячим» электродом емкостного датчика Сд и точкой S суммирования токов мостовой цепи – инвертирующим входом операционного усилителя ОУ. Наводимые ЭДС в каждом витке первичной и вторичной обмоток ТПЭО полностью идентичны. Поскольку нижние концы обеих обмоток имеют одинаковый – нулевой потенциал, то и по всей длине обмотки, а также за ее пределами, внутренний и внешний проводники эквипотенциальны, благодаря чему отсутствуют утечки тока через паразитные емкости из цепи внутреннего соединительного провода. К точке S подключена также вторая ветвь моста – образцовый конденсатор С0 , на который подано напряжение генератора через потенциометр RP1 «Установка нуля». Нетрудно видеть, что ток на выходе мостовой цепи, поступающий на вход ОУ с глубокой обратной связью (через конденсатор Сос), равен разности токов датчика Сд и образцового конденсатора С0, в результате чего, если пренебречь погрешностью от статизма, выражение U1 для напряжения на выходе ОУ будет следующим: 1 Г U1 =U1 (Сд– kC0)/Cос, где k – коэффициент передачи потенциометра RP1 (сопротивление RP1 выбрано пренебрежимо малым по сравнению с реактивным сопротивлением конденсатора С0). Напряжение U1 выпрямляется посредством выпрямителя В, затем через потенциометр RP2 «Крутизна», масштабирующий усилитель МУ, фильтр ФНЧ и повторитель напряжения ПН поступает на один из выходов устройства в виде напряжения Uвых. Кроме того, с помощью преобразователя U/I из напряжения Uвых формируется нормированный выходной ток Iвых с рабочим диапазоном изменений 0.5 мА. Как видно из формулы, если установить значение k таким, чтобы kС0 = Сдп, (где Сдп – емкость пустого датчика), то мост будет уравновешен, и напряжение U1, а также выходное напряжение преобразователя Uвых и его выходной ток Iвых будут равны нулю. При появлении в датчике угольной пыли его емкость (в общем случае – комплексная проводимость) возрастает, и входной ток ОУ, напряжение Uвых и ток Iвых увеличиваются пропорционально концентрации угля в ПВС. 

    3.4. Соединительный кабель. 

    Из  изложенного видно, что емкостный датчик пылемера соединяется с электронным блоком кабелем с двойным экраном (в литературе применяется также термин «триаксиальный» кабель). Наиболее важным параметром при выборе соединительного кабеля является качество экранирования центрального проводника относительно внешнего экрана, которое характеризуется величиной т.н. электрической прозрачности внутренней экранирующей оплетки. В идеале эта прозрачность равна нулю, в реальных кабелях небольшой процент электрических силовых линий «просачивается» сквозь внутренний экран и обуславливает паразитную остаточную емкость. В описываемой схеме эта емкость включается параллельно рабочей емкости датчика и, если она стабильна по величине, то может быть скомпенсирована как составляющая начальной емкости датчика в процессе установки нуля (реально она составляет малые доли процента от начальной емкости датчика даже при длине кабеля в несколько метров). Другим существенным моментом является влияние на работу пылемера распределенных параметров кабеля. По условиям работы длина соединительного кабеля может достигать 7–10 метров. На частоте 1 МГц длина волны в кабеле с учетом коэффициента укорочения kукор ≈ 0,7 составляет около 200 метров. При таком соотношении длин линии и волны уже заметно сказываются распределенные параметры кабеля. Проявляется это в данном случае в том, что в емкостном импедансе, подключенном к измерительному преобразователю через кабель, появляется квадратурная (активная) составляющая, которая особенно ощутима при пустом датчике, она не дает возможности уравновесить мост одной лишь регулировкой потенциометра RP1. С целью компенсации влияния этой составляющей в измерительной цепи прибора предусмотрена еще одна регулируемая ветвь – резистор переменного сопротивления Rк. В процессе настройки перед началом работы поочередной регулировкой RP1 и Rк при пустом датчике мост уравновешивают полностью по первой гармонике рабочей частоты. Описанный емкостный пылемер проверен в лабораторных условиях и показал хорошие результаты. В настоящее время изготовлена малая серия приборов (6 экземпляров), предназначенная для установки на агрегатах Трипольской ТЭС и опытной эксплуатации в составе автоматизированной системы пылеподачи.

    Выводы

1. На основании анализа литературных данных предложен для контроля концентрации пыли в мукомольном производстве емкостной пылемер.
2. Показано, что предложенный емкостной датчик позволяет определить концентрацию пыли в широком диапазоне концентрации на удалении до 10м от прибора.