Емкостные преобразователи в народном хозяйстве

August 20, 2015 by admin Комментировать »

В емкостных преобразователях использована зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Эта зависимость Выражается соотношением

где S — площадь обкладок; б — расстояние между ними; е — ди* электрическая проницаемость; G — геометрическая проводимость зазора (определяется по формулам, приведенным в табл. 2-2).

Измеряемая неэлектрическая величина может, воздействовать на один или несколько параметров конденсатора (5, б, е) и изменять их. Это дает возможность измерять н контролировать с помощью емкостных преобразователей такие физико-химические параметры и механические величины, как влажность, однородность материала диэлектрика, концентрация, давление, сила, перемещение, толщина, качество, равномерность покрытий и окраски.

Рис. 2-7.

На рис. 2-7 изображены наиболее распространенные конструкции датчиков. На рис. 2-7, а показана конструкция датчика для измерения влажности сыпучих материалов либо концентраций жидкостей. Датчик состоит из центрального электрода У, наружного электрода 2, выполняющего одновременно роль экрана, втулки из изоляционного материала 5, экрана 4г высокочастотного разъема 5, прово-

Таблица 2-2

2.                      Примечания: 1. b — размер, перпендикулярный плоскости чертежа, б < а < Ь.

дов б и 7, соединяющих высокочастотный разъем с наружными н внутренними электродами датчика, и заливной воронки 8. При измерении влажности сыпучие продукты засыпают в датчик через заливную воронку 8 с постоянной высоты, установленной для данного датчика. Такой способ засыпки связан с тем, что точность определения влажности в значительной степени зависит от уплотнения материала. А при засыпке продукта с определенной высоты получается и наиболее равномерное заполнение рабочего объема датчика и хорошая сходимость результатов измерения.

Более простая конструкция датчика для измерения влажности сыпучих материалов непосредственно в массивах либо в мешках показана на рис. 2-7,6 Это два металлических штыря 7, запрессованных в пластину из цзоляцноиного материала 4. Место подсоединения выводных контактов датчика закрыто защитным экраном 2. Соединение с электрической частью схемы осуществляется высокочастотным кабелем 3, концы которого подпаивают непосредственно к электродам, а экранная оплетка подпаивается еще и к защитному экрану 2. Такая конструкция датчика не обеспечивает высокой точности измерений, но вполне пригодна для сравнительной оценки влажности испытуемых материалов. На точность измерений влияет электропроводность испытуемых материалов, поэтому желательно рабочие поверхности электродов покрыть защитным лаком или специальным покрытием. Из специальных покрытий наиболее подходящим является фторопластовое (тефлоновое). Это замечание относится ко всем конструкциям емкостных датчиков.

Конструкция датчика для измерения свойств материалов в потоке (сыпучие или жидкие материалы) показана на рис. 2-7, в. Датчик состоит из наружного электрода — цилиндра 2, закрепленного через изоляционные втулки 5 в трубопроводах или ссыпиых коллекторах, и виутреииего электрода 7, укрепленного на растяжках 4, пропущенных через изоляционные втулки 5. Подсоединение датчика к электрической части схемы происходит с помощью высокочастотного разъема 3.

Конструкция датчика для измерения влажности или толщины листовых материалов изображена на рис. 2-7, г. В этой конструкции одним электродом служит плита 2, по поверхности которой протягивается испытуемый материал 4, а другим электродом — плаика 7. Плаика прижимается к материалу 4 пружинами 5 через изоляционные втулки 3.

В емкостных измерителях толщин, деформаций, в емкостных профилометрах и других сходных по принципу действия устройствах применяю! датчики с использованием стандартных или специально изготовленных конденсаторов переменной емкости. Упрощенный вариаи! конструкции датчика емкостного толщиномера показан на рис 2-7, д. Датчик состоит из штока 3, воспринимающего изменения толщины контролируемой детали 7. Шток прижимается к поверхности детали пружиной 5. Перемещения штока через кулисный механизм 4 преобразуются во вращательное движение оси редуктора 6. Редуктор передает это вращение с определенным коэффициентом передачи на ротор 7 конденсатора 2. Выбирая тот или иной коэффициент передачи редуктора, можно обеспечить необходимую точность определения толшииы материала

Питание схем с емкостными преобразователями производят напряжением высокой частоты Последнее связано с тем, что емкостные преобразователи имеют небольшую емкость, а следовательно, высокое реактивное сопротивление. Повышением частоты питающего напряжения это сопротивление можно значительно снизить Так, например, при емкости преобразователя 100 пФ реактивное сопротивление его прй частоте питающего напряжения 50 Гц будет около

З-Ю7 Ом, а на частоте 100 кГц — только 16 кОм Отсюда видно, что при работе на частоте 50 Гц сопротивление изоляции должно быть не инже 1010 Ом, что обеспечить практически довольно трудно. Кроме того, для обеспечения необходимой чувствительности преобразователя при работе на низких частотах приходится значите льно увеличивать амплитуду питающего напряжения, что нецелесообразно.

Погрешности емкостных преобразователей при правильном их конструировании (с учетом высказанных замечаний) определяются изменением их геометрических размеров и диэлектрической проницаемости материала, помещенного между обкладками, при изменении температуры. Эти погрешности могут быть значительно снижены при использовании для изготовления электродов материалов с низким коэффициентом температурного расширения (инвар), а также при применении дифференциальных схем измерения. Особое внимание следует обращать на экранирование емкостных преобразователей от воздействия внешних паразитных электрических полей.

Транзисторный измеритель влажности ЭДВМ-1 (автор конструкции А. С. Щербаков, экспонат 26-й ВРВ). Прибор предназначен для измерения относительной влажности деревянных заготовок в модельном производстве ог 3 до 15%. Абсолютная погрешность измерения влажности ±1%· Прибор (рис. 2-8) состоит из симметрично

го мультивибратора, собранного на траизисторх Ту и Гг, эмиттерного повторителя, собранного по параллельно-балаисиой схеме на транзисторах Гз н Т4, и электронного стабилизатора напряжения, выполненного по типовой схеме на транзисторе Т$. Питание прибора от аккумуляторов типа 7Д0,1.

Принцип действия прибора основан на изменении длительности импульсов генерируемых мультивибратором при изменении емкости датчика ДТУ включенного в его времязадающую цепь, вызываемом изменением диэлектрической проницаемости древесины. Изменение длительности генерируемых импульсов в свою очередь приводит к изменению среднего тока, протекающего через микроамперметр, включенный в цепь эмиттера балансного эмиттериого повторителя. Резисторами Ri н Rs обеспечивается симметричный режим работы мультивибратора, соотвь;ствующий нулевой влажности. Резистором Rj регулируется чувствительность индикатора. Кнопкой Кш индикатор переключается в режим контроля питания.

Датчик прибора выполнен в виде плоского конденсатора, электроды которого находятся в одной плоскости. Он изготавливается путем травления фольгироваииого стеклотекстолита и скреплен с основанием — бруском фторопласта толщиной 40 мм пятью виитамн МЗХ15. Измеряемый материал кладут прямо на датчик, расположенный сверху прибора, и получают отсчет.

Прибор для измерения расхода жидкости (автор конструкции

О.          И. Лапии, экспонат 26-й ВРВ). Прибор позволяет с высокой точностью определять расход жидкости путем измерения ее уровня в мерном сосуде. Точность измерения 1,5% верхнего предела измерения. Принцип действия этого прибора аналогичен предыдущим. Датчик ДТ представляет собой две пластины, погруженные в мерный стакан с испытуемой диэлектрической жидкостью. Прибор содержит (рис. 2-9) мультивибратор (транзисторы Ти Т2)> балансный усилитель (транзисторы Т$—Те) и электронный стабилизатор напряжения, выполненный по типовой схеме на транзисторе Т7. В отличие от предыдущего данный прибор обладает большими чувствительностью и выходной мощностью. Последнее позволяет подключать на его выхо-

де самописец. В приборе предусмотрена калибровка. Для этого вместо датчика подключается конденсатор постоянной емкости Ск.

Мы рассмотрели две однотипные схемы приборов, представлен· иые для решения совершенно разных задач.

Измеритель емкости (автор конструкции Ю. М.Фридмаи, экспонат 26-й ВРВ), Принципиальная схема прибора изображена на рис. 2-10. Как н в рассмотренных приборах, измерение емкости здесь

производят с помощью мультивибратора (Ти 7¾). Мультивибратор перестраивается по частоте в зависимости от выбора поддиапазона измерения емкости переключателем П\. Прибор позволяет измерять емкости конденсаторов от 1 пФ до 1 мкФ.

Габариты прибора практически определяются габаритами стрелочного индикатора. Можно рекомендовать радиолюбителям, имеющим авометры заводской конструкции, разместить такую же схему в корпусе авометра, тем более что для ее питания используются, как и в авометрах, три-четыре элемента типа ФБС-0,25. Иметь же под рукой чувствительный прибор для проверки емкостей очень удобно.

Прибор для автоматического определения диэлектрической проницаемости авиационных топлив (автор конструкции А. П. Козлов). Он позволяет измерять диэлектрическую проницаемость авиационных масел и топлива в пределах от 1 до 3 с погрешностью ±3·10-4, а также судить об изменении емкости измерительного датчика в пределах 0,003 пФ. Знание диэлектрической проницаемости авиационных горючесмазочных материалов дает возможность точно настроить топ-

Рис. 2-11.

ливоизмерительную систему самолета непосредственно перед вылетом.

Этот прибор может найти и другие применения, например при исследовании свойств жидких диэлектриков в ходе химических превращений или под воздействием внешних факторов. Высокая точность отсчета измеряемого параметра открывает перспективы широкого применения установки. Прибор может быть использован после соответствующего выбора конструкции датчика для контроля отверждения различных полимерных материалов, так как изменение диэлектрической проницаемости связано не только с изменением концентрации примесей, ио и с изменением их подвижности, которая резко падает в ходе отверждения. Данный способ может иайти применение и при измерении паразитных емкостей в различных радиоустройствах, работающих на высокой частоте.

Принципиальная схема прибора изображена на рис. 2-11. Прибор содержит генератор низкой частоты (транзисторы Гд), вырабатывающий синусоидальное напряжение частотой 400 Гц. Это напряжение усиливается двухтактным усилителем мощности (транзисторы 7*ίο—7\з) и подается на измерительный трансформатор Три Трансформатор Тр\—основной элемент измерительного моста. Два плеча его составляют емкостный датчик СД и образцовый конденсатор С0, а два других — обмотки трансформатора Тр\. Мост балансируется вручную переключателем П2 и автоматически путем изменения положения двнжка потенциометра Rt с помощью фазочувствнтельиого реверсивного электродвигателя Дв. С валом двигателя жестко связана шкала стрелочного индикатора, проградуированная в значениях диэлектрической проницаемости.

Сигнал разбаланса моста поступает на вход предварительного усилителя (Τι, Т2), выполненного по схеме спаренных эмиттериых повторителей, охваченных обратной связью через конденсатор Ci. Для повышения входного сопротивления до 120 МОм использован полевой транзистор 7V

С выхода предусилителя сигнал поступает на вход основного усилителя (транзисторы Г8— Т7), Для устранения начального сдвига фаз в схеме имеется фазовращающий RC-мост (резисторы Ru, Riz, конденсаторы С4, С5). Настройкой Ru и Rl2 производят предварительную компенсацию измерительного моста. Сигнал разбаланса моста, возникающий при заполнении датчика испытуемым материалом, с выхода фазовращателя через разделительный трансформатор Тр2 поступает на вход двухкаскадиого фазочувствительного усилителя мощности (транзисторы Г4—TV)· Нагрузкой выходного каскада усилителя служат обмоткн реверсивного электродвигателя Дв.

Предусилитель, датчик СД и образцовый конденсатор С0 смонтированы в отдельном корпусе и соединены с основной частью прибора экранированным кабелем, что позволяет добиться высокой чувствительности прибора в целом. Применение трехэлектродных конденсаторов СД и С0 подавляет паразитный краевой эффект.

Конструкция датчика для данного прибора может быть разной в зависимости от конкретной решаемой задачи. Но еще раз следует обратить внимание на то, что он должен быть выполнен по трехэлектродной схеме. Это связано с тем, что при обеспечении такой высокой чувствительности прибора к измеряемому параметру приходится учитывать все мешающие факторы, в том числе ц краевые эффекты электродов. Обычно датчик СД и образцовый конденсатор С0 выполняют в общем металлическом заземленном стакане, в котором на фторопластовых изоляторах крепятся основные электроды, подключаемые к электронной схеме. В этом же стакане в герметично закрытой полости располагают детали предварительного усилителя.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты