3.Применение приборов первичной информации на основе емкостного первичного преобразователя

Приборы для измерения уровня жидкости на основе емкостного датчика показаны на рис.7 и рис.8. Такие датчики используются в качестве емкостных топливомеров, с помощью которых можно измерить уровни токонепроводящих жидкостей (керосина, бензина, масла и др.), причем датчиком топливомера может служить цилиндрический (рис.8) или плоский (рис7 ) конденсатор, помещаемый внутрь топливного бака.

Емкостной датчик, показанный на рис 8, выполнен в виде цилиндрического конденсатора, состоящего из металлической трубки (бака) и металлического

Р ис.7.Емкостный датчик уровня с использованием плоских электродов

Рис.8. Емкостный датчик уровня с использованием

цилиндрических электродов

стержня 2, .погруженного в жидкость. В зависимости от изменения высоты уровня жидкости изменяется емкость конденсатора. Общая емкость конденсатора может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов

С = С₁ + С₂, (22)

где C₁ – емкость нижней части, заполненной жидкостью, уровень h который изменяется; С₂ – емкость верхней части высотой (Н–h), заполненной воздухом.

Так как диэлектрическая проницаемость токонепроводящей среды значительно больше диэлектрической проницаемости воздуха (=1), то емкость такого датчика при изменении уровня изменяется резко и в широких пределах. Рассмотрим основные соотношения в датчике емкостного топливомера, изображенного на рис7., е, где 1 – резервуар, а 2 – электроды конденсатора. Если резервуар высотой Н наполнен жидкостью до уровня h, то емкость датчика [в соответствии с уравнением (21)], если конденсатор плоский,

, (23 )

(24 )

где ₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (₀=8,86 ф/м=8,910^-3 пф/мм); _r – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости; d – расстояние между пластинами; b — ширина пластины.

Общая емкость плоского конденсатора [подставляем (22) и (23) в (21 )]

(25)

Для цилиндрического конденсатора (см. рис.8) емкость датчика (пф) определяется выражением

, (26)

где Н – высота электрода датчика, см; h – высота измеряемого уровня, см; _ж –диэлектрическая проницаемость данной жидкости.

Чувствительность датчика (пф/см) определяется путем дифференцирования выражения (25) по высоте уровня:

. (27)

Из уравнений (25) и (26) видно, что измеряемая емкость конденсатора находится в зависимости от величины h, т. е. позволяет определять степень заполнения бака, а из уравнений (19), (21) и (27) следует, что чувствительность датчика постоянна на всем диапазоне измерений. Существуют емкостные топливомеры для измерения уровня электропроводящих жидкостей.

На рис.9 изображен датчик для измерения уровня токопроводящей жидкости. В этом датчике центральный стержень (внутренний цилиндр) 2 покрыт тонким электроизоляционным слоем 3. Внутренний цилиндр 2 помещается в наружный цилиндр (трубку). Стержень 2 изолирован от трубки 1 изоляционным слоем 4. С помощью такого датчика можно измерять уровни химически активных жидкостей (например кислот) в жидкостных реактивных двигателях

Рис.9. Емкостный датчик для измерения уровня токопроводящей жидкости

.

Как уже было отмечено, емкостные датчики имеют небольшие габариты и просты по устройству, что позволяет без особых трудностей установить в одном баке два или четыре датчика, соединенных параллельно. При этом получается меньшая зависимость показаний от различных положений датчика (например, зависимость показаний от кренов или от изменения угла тангажа самолета).

Пример 4. В резервуаре с водой установлен цилиндрический датчик высотой Н =50 мм для измерения уровня (см. рис.8). Емкость датчика при уровне воды h=40 мм должна составлять С =10 000 пф. Чтобы пренебречь толщиной изолирующего слоя, промежуток между электродами о следует сделать равным 3 мм. Необходимо найти диаметры электродов d₁ и d₂ и чувствительность датчика S_д. Диэлектрическая проницаемость воды _в=81.

Решение

1.По формуле (26) определяем отношение диаметров электродов:

.

2.Запишем отношение

3.Разделив обе части равенства на два, получим так как величина

величина то откуда

тогда

4.Определяем чувствительность датчика по (27):

На рис. 10 схематически изображен емкостной датчик для измерения толщины материала из диэлектрика, например из целлулоида.

Рис.10. Емкостный датчик для измерения толщины материала

Контролируемый материал протягивается с помощью роликов 2 между обкладками конденсатоpa 3, не касаясь их. Данный датчик в принципе представляет собой плоскопараллельный конденсатор с двухслойным диэлектриком. Если длину зазора между обкладками обозначить d, мм, толщину ленты диэлектрика , мм, а диэлектрическую проницаемость ленты из диэлектрика _дэ, то емкость датчика (пф)

(28)

где S – площадь обкладок, см².

Чувствительность датчика

(29)

Пример 5. Определить, какую емкость и чувствительность имеет емкостной датчик, если между его обкладками проходит мягкая резина толщиной =0,4мм. Площадь обкладок S=30 см², расстояние между обкладками d=0,6 мм, диэлектрическая проницаемость резины _р=2,7.