Расчет емкостных преобразователей

Рассмотрим в качестве примера расчет емкостного преобразователя для измерения уровня веществ.

Схема такого преобразователя представляет собой цилиндрический конденсатор с коаксиально расположенными электродами. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами материала. Для неэлектропроводной (диэлектрической) жидкости – 10^-4 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схема которого представлена на
рисунке 3.6.1.

Рисунок 3.6.1 – Схема емкостного преобразователя для измерения
уровня

Чувствительный элемент состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, пространство H - h - парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением

(3.6.1)

где - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродного пространства;

- диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м;

H – высота электродов, м;

D, d – диаметры соответственно наружного и внутреннего электр-
одов, м.

Для цилиндрического конденсатора, межэлектродное пространство которого заполняется веществами, обладающими различными диэлектрическими проницаемостями, как показано на рисунке 3.6.1 , полная емкость С_п определяется выражением:

С_п = С₀+ С₁+ С₂ , (3.6.2)

где С₀ – емкость проходного изолятора, пФ;

С₁ – емкость межэлектродного пространства, пФ;

С₂ – емкость межэлектродного пространства, заполненного парогазовой смесью, пФ.

С учетом уравнения (7.1) полную емкость чувствительного элемента представим в виде

. (3.60)

Так как для паров жидкости и газов 1, а С₀ – величина постоянная, уравнение (7.3) можно преобразовать следующим образом:

(3.6.3)

Данное уравнение представляет собой статическую характеристику емкостного преобразователя для неэлектропроводящих сред. Величина является функцией температуры, поэтому для исключения влияния температуры жидкости на результат измерения применяют компенсационный конденсатор, который размещают ниже емкостного чувствительного элемента и полностью погружают в жидкость. В некоторых случаях при постоянстве состава жидкости его заменяют конденсатором постоянной емкости.

Для измерения уровня электропроводящих жидкостей применяют уровнемеры, оснащенные емкостным чувствительным элементом с металлическим электродом, покрытым изолирующим материалом (например фторопластом). Электрод частично погружен в жидкость (рисунок 3.6.2).

В качестве второго электрода используется либо стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный металлический электрод, если стенка выполнена из диэлектрика. Полная емкость такого преобразователя определяется следующим образом:

(3.6.4)

где С₀ – емкость проходного конденсатора, пФ;

С₁ – емкость конденсатора, образованного электродом 1 и поверхностью жидкости на границе с изолятором, пФ;

С₂ – емкость конденсатора, образованного поверхностью жидкости на границе с изолятором и стенками резервуара, пФ.

Рисунок 3.6.2 - Схема емкостного преобразователя для измерения уровня токопроводящих жидкостей

Преобразование электрической емкости в электрический сигнал может осуществляться разными методами: цепями в виде делителей, мостами переменного тока, резонансными и импульсными методами.

Рассмотрим в качестве примера цепь в виде делителя.

Емкость большинства преобразователей составляет 10 - 100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания
(10⁵ - 10⁷ Гц) их выходные сопротивления велики и равны =
10³ - 10⁷ Ом. Выходная мощность преобразователя мала и поэтому требует применения усилителей.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные кабели тщательно экранируются.

На рисунке 3.6.3 приведена схема цепи с операционным усилителем, построенная по принципу делителя напряжения.

В данном случае

. (3.6.5)

С помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂ ( ) или изменение площади конденсатора С₁ ( ). В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемых величин будет линейной.

Рисунок 3.6.3 - Схема включения преобразователя, построенная по
принципу делителя напряжения

В данной схеме емкости экранированных проводов С_Э1, С_Э2, С_Э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости С_Э1 и С_Э3 включены параллельно источнику сигнала U_П и операционному усилителю. Емкость же С_Э2 включена параллельно входам операционного усилителя и напряжение на ней близко к нулю.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: