Системы автоматического контроля

Рис. 33. Схема дифференциального емкостного датчика:

     1 и 7 — неподвижная пластина; 2 — конденсатор; 3 — генератор; 
4 — усилитель; 5— показывающий прибор; 6 — реле; 8 — объект измерения; 9— измерительный стол; 10 – измерительный стержень;

     11 – пружина; 12—направляющие; 13 – подвижная пластина 

     Изменение положения измерительного стержня  10, на конце которого закреплена подвижная пластина 13, при измерении объекта измерения 8, установленного на измерительном столе 9, влечет за собой изменение емкости двух конденсаторов, образованных пластинами 7, 13 и 1, 13. Эти конденсаторы и регулировочный конденсатор 2 включены в мостовую схему, которая питается от высокочастотного генератора 3. Выходное напряжение преобразователя через усилитель 4 подается на показывающий прибор 5 и исполнительное реле 6.

     Конструкции емкостных датчиков.

     Для измерения малых перемещений (10^-6 — 10^-3 м) получили применение преобразователи с переменным зазором.

      
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 34. Половина дифференциального емкостного датчика, используемого в качестве преобразователя неравновесия в датчике уравновешивания

    На  рис. 34 показана конструкция одной половины дифференциального емкостного датчика, используемого в качестве преобразователя неравновесия в датчике уравновешивания. Подвижная пластина 1 крепится к корпусу 2 на растяжках 3, жесткость которых при перемещении в направлении оси X — X очень мала. При действии силы F подвижная пластина перемещается, и зазор между подвижной и неподвижной пластинами изменяется. Обе пластины тщательно изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и стеклянными «слезками» 5.

     На  рис. 35 показано устройство емкостного датчика для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С₁ образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, конденсатор С_о – остальной  частью электродов и диэлектриком — воздухом. Емкость преобразователя

     

 

где l₀ — полная длина цилиндра; l — длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; — диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R2 —радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 35. Емкостной датчик для измерения уровня 

    На  рис. 36 показан принцип устройства емкостного датчика для измерения толщины ленты из диэлектрика.

    Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора.

      
 
 
 

    Рис. 36. Емкостной датчик для измерения толщины ленты из диэлектрика  

     Если  длину зазора между обкладками конденсатора обозначить , площадь обкладок S, толщину ленты и ее диэлектрическую проницаемость , то емкость С можно выразить как

    

     На рис. 37, а показан принцип устройства емкостных датчиков с переменной площадью пластин, используемых для измерения угла поворота вала. Ротор 1, жестко скрепленный с валом 2, перемещается относительно статора 3 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. 
 

Рис. 37. Принцип устройства емкостных датчиков для измерения угла поворота вала 

    Емкость преобразователя при повороте ротора изменяется от максимума (выступ ротора находится против выступа статора) до минимума, как показано на рис. 37, б. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин (рис. 37, в) является возможность соответствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением. Преобразователи с переменной площадью применяются для измерения перемещений, больших 1 мм.

    Рассмотрим  конструкцию емкостного датчика угла поворота типа ДЕ-11 (рис. 38).

     Действие  датчика основано на преобразовании угла поворота подвижной пластины 1 дифференциального конденсатора в изменение его емкости. Пластины 2 дифференциального конденсатора включены в мостовую схему вместе с обмотками трансформатора 3.

     Напряжение  разбаланса моста измеряется компенсационным методом. При перемещении электродов на сетке лампы 4 появляется сигнал разбаланса, который усиливается и подается на электродвигатель 5, перемещающий движок реохорда 6 до тех пор, пока напряжение на катоде лампы 4 не станет равным напряжению на ее сетке.

     На  одной оси с реохордом расположена  измерительная шкала 7. На измерительной шкале имеются упоры, которые замыкают контакты концевых выключателей, подающих импульсы на исполнительные реле. Первый каскад усиления (лампа 4) расположен в корпусе датчика. Схема питается от генератора. 
 
 

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 38. Емкостной датчик угла поворота типа ДЕ-11: 1 – рычаг; 2 – изолятор подвижного электрода; 3 – полая ось; 4 – гайка; 5 – штепсельный разъем; 6 – электронная лампа; 7 – изолятор; 8 – корпус. 
 
 

     3.2. Расчет электроемкостного  датчика 

     Исходные  данные примем такие:

       К,

       В (50 Гц),

       мм.

1. Выбираем тип датчика:

дифференциальный  емкостной преобразователь с  переменным зазором (рис. 39)

 
 
 
 
 
 

Рис. 39. Принцип устройства дифференциального  емкостного преобразователя с переменным зазором 
 
 

2. Выбираем схему включения:

 
 

   Рис. 40. Схема  мосто-      Рис. 41. Схема  мостовой      Рис. 42. Схема  урав-         

   товой измерительной      измерительной цепи диф-     новешивания    мос-

   цепи дифференциаль-    ференциального преобра-     товой    измеритель-

   ного преобразователя      зователя                                  ной цепи емкостно-

                                                                                       го преобразователя 

     Из  приведенных выше схем включения выбираем схему уравновешивания мостовой   измерительной цепи   с   емкостным преобразователем (рис. 42).

3. Составляем измерительную схему:

                                   

                               

                                                       

      - изменение сопротивления одной  половины датчика при изменении  положения       якоря;

      - начальное, установочное значение  емкостного сопротивления при  котором напряжение в нагрузке равной нулю.

      Составляем эквивалентную схему: 

4. Подсчитаем  ориентировочные значения сопротивлений 

Выбираем 

     Возьмем и принимаем во внимание, что Это условие должно выполняться для обеспечения максимальной мощности, выделяемой на нагрузке.

     

     Примем  тогда отсюда:

     

5. Подсчитаем  при .

     Выбираем  среднюю величину зазора, исходя из ориентировочного соотношения.

     

     По  графику (рис. 43) определяем при .

     

     Рис. 43. Зависимость выходного напряжения моста от перемещения

     

     Полученные  значения ( и ) достаточно хорошо согласуются.

6. Определяем величину емкости.

7. По  полученным данным выбираем конструкцию  датчика.

     В данной работе на измерительной позиции  будет использоваться конструкция  емкостного датчика НИАТ (рис. 44). Датчик представляет собой дифференциальный конденсатор цилиндрической формы, внутри которого помещена малогабаритная электронная лампа. Сетка лампы соединена непосредственно с рабочим конденсатором, что уменьшает утечки, так как емкостное сопротивление конденсатора становится намного меньше активного сопротивления утечек.

     Датчик  включается в схему самобалансирующегося моста.

    

 

    Рис. 44. Емкостной датчик НИАТ 

     Неподвижные электроды 10 запрессованы в изолирующую втулку 11, которая помещена в стальной корпус 13 и укреплена гайкой 7. Подвижный электрод 2 вместе со стальным кольцом 9 и стальной чашкой 12 насажен на изолирующую втулку 8. Этот подвижной блок перемещается на шести шариках по внутренней поверхности стального корпуса 13, так что зазор (0,15 мм) между подвижным 2 и неподвижным 10 электродами остается постоянным.

    Измерительный шток 15 упирается в подвижной блок шариком 14. Подвижной блок поджимается к штоку пружиной 3. Электронная лампа 1 крепится на панельке 4, На штыри последней надевается панелька 5, к которой припаяны выводные концы, расположенные в шланге 6.