Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - электромеханические устройства систем управления - файл 1.doc


Лекции - электромеханические устройства систем управления
скачать (11883.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11884kb.17.11.2011 07:31скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

Датчики уровня жидкости


Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора в соответствии с рисунком 2.7, а.

а)



б)



Рисунок 2.7  Принцип устройства емкостных датчиков уровня жидкости

Конденсатор образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор – остальной частью электродов и воздухом. Емкость преобразователя определяется выражением:

, где – полная длина цилиндра, – длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью, – относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Главным недостатком описанного выше емкостного уровнемера является невозможность измерять уровень проводящих ток жидкостей без дополнительной изоляции электродов, нарушающих линейность характеристик.

Для измерения уровня проводящей жидкости был предложен емкостной зонд в соответствии с рисунком 2.7, б. В основе конструкции лежит остекленный электрод 1. Вторым электродом конденсатора служит проводящая жидкость 2, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3.

В ряде случаев в качестве второго электрода емкостных преобразователей может использоваться металлический сосуд, в котором находится измеряемая жидкость.

^

Датчики давления


Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная в соответствии с рисунком 2.10, а, которая применяется для измерения абсолютного давления.

а)



б)



Рисунок 2.10  Принцип устройства емкостных датчиков давления

Такой датчик состоит из металлической ячейки ^ 3, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой 1, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод 2. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в соответствии с рисунком 1.10, б. В одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.


^ Основные принципы расчета преобразователей и выбора схем их включения

Емкости большинства преобразователей составляют 10 - 100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (105 - 107 Гц) их выходные сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет емкость между жилой и экраном (около 50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается, и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью емкости , поскольку любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразитных емкостей.

Кроме этого, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора d), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости ε).

Для работы с емкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры - делители напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные контуры.

Выбор той или иной схемы определяется в первую очередь емкостью датчика и частотой питающего напряжения. В случае схемы с резонансным контуром частота целиком определяет работу измерительной схемы, а для ряда схем, например мостовых, частота главным образом влияет лишь на чувствительность датчика, именно поэтому мостовые схемы почти не реагируют на колебания измерительной частоты.

^

Гальваническая схема


В гальванической схеме в соответствии с рисунком 3.1, а измеряется ток im, который определяют с помощью прибора с очень малым входным сопротивлением Rd.

а)



б)



Рисунок 3.1  Гальванические схемы включения емкостных датчиков

Паразитные емкости Cp1, Cp2, Cp3 и Cp4 распределены равномерно и на погрешность измерений оказывают пренебрежимо малое влияние. Пренебрегая значением Rd, измеряемый ток можно выразить формулой:

.

Если C1 – емкость датчика: и , то .

Рассмотрим работу двух включенных дифференциально конденсаторных датчиков с емкостями C1 и C2. Для датчиков с изменяющейся площадью поверхности пластин справедливы формулы:

; .

Откуда и , т.е. следует, что схема линейна.

Для датчиков с изменяющимся расстоянием между пластинами конденсатора имеют место следующие соотношения:

; ; .

При выражение примет вид , и , откуда следует, что схема квазилинейна для небольших перемещений.

Гальвонометрические схемы в общем случае включают и трансформатор отношений в соответствии с рисунком 3.1, б. Амплитуды напряжений на каждом выходе находятся в соотношении k, точно определяемом положением отвода на землю. В этом случае измеряемый ток равен: .

^

Схема с резонансным контуром


Измерительные цепи с резонансными контурами удобны для измерения емкости в пределах 1 – 10 пФ и обычно выполняются в соответствии с рисунком 3.2, а.

а)



б)



Рисунок 3.2  Схема с резонансным контуром

Цепи питаются от генераторов со стабильной частотой . При изменении емкости C преобразователя сопротивление контура измеряется по резонансной кривой в соответствии с рисунком 3.2, б и при достигает максимума. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R2 по сравнению с сопротивлениями и R1 и полагая , , , , напряжение на контуре можно выразить следующим соотношением:

.

В этом случае зависимость будет иметь вид в соответствии с рисунком 3.2,б.

^

Мост Нернста и мост Саути


Диэлектрические потери в конденсаторе можно представить резистором с сопротивлением, включенным параллельно с конденсатором. Принципиальная схема измерений с емкостным датчиком в соответствии с рисунком 3.3 представляет собой так называемый мост Нернста.



Рисунок 3.3  Мост Нернста

Импеданс датчика равен , импеданс уравновешивающего плеча определяется выражением . Условие равновесия моста: , т.е. и . Мост уравновешивают при значении измеряемой величины m0, принимаемой за начальное. Когда m0 изменяется на ∆m, импеданс датчика меняется от Zc0 до Zc0+∆Z. Тогда между точками A и B в диагонали моста появляется напряжение разбаланса . Если , то .

Выбирая K=1, получают максимальную чувствительность схемы. Кроме того, благодаря симметрии моста легче скомпенсировать воздействие влияющих величин. При этих условиях .

Если датчик представляет собой конденсатор с воздушным диэлектриком, то потери пренебрежимо малы, и импеданс датчика носит емкостной характер. В этом случае резистор Re для уравновешивания моста можно не использовать. В мосте в соответствии с рисунком 3.4, а, известном как мост Саути, напряжение разбаланса равно .

Если емкость датчика , а опорного конденсатора , то .

При .


а)



б)



Рисунок 3.4  Мост Саути

Обкладки конденсаторов образуют с массой паразитные емкости, распределенные в соответствии с рисунком 3.4, б. Эти паразитные конденсаторы параллельны каждому из резисторов R и входному импедансу измерительного прибора с активным сопротивлением Rd. Их воздействие на плечи моста можно сделать пренебрежимо малым выбором весьма малых сопротивлений R (102 - 103 Ом) по сравнению с паразитными емкостными сопротивлениями. Более удобным является включение параллельно каждому резистору конденсатора небольшой емкости, что позволяет уравновесить мост компенсацией паразитных емкостей.

Паразитное емкостное сопротивление, параллельное входной цепи измерительного прибора, не влияет на равновесие моста, но оно может влиять на чувствительность схемы к разбалансу, если это паразитное емкостное сопротивление не слишком велико по сравнению со входным импедансом измерительного прибора. В этом случае более разумно проводить измерение тока разбаланса, используя измерительный прибор с входным импедансом, намного меньшим, чем подключенное ему в параллель паразитное емкостное сопротивление.

Ток разбаланса моста Саути, когда входной импеданс измерительного прибора пренебрежимо мал, определяется выражением:

.

В легко реализуемом случае, когда , ток разбаланса равен:

.

Для дифференциального конденсатора с емкостями и с переменной площадью ток изменяется линейно в зависимости от перемещения общего электрода:

.

В случае дифференциального конденсатора с переменным зазором ток равен:



и изменяется квазилинейно в зависимости от перемещения общего электрода при условии .

^

Схема с операционным усилителем


Пусть один из конденсаторов C1 или C2 является емкостью датчика, а другой – постоянным конденсатором. В схеме с операционным усилителем в соответствии с рисунком 3.5, а резистор R1 играет роль защиты инвертирующего входа, а R2 позволяет постоянному току обратной связи воздействовать на этот вход; es – источник синусоидального напряжения с частотой .

а)



б)



Рисунок 3.5  Схема с операционным усилителем

Если считать операционный усилитель идеальным, то напряжение на его выходе равно , где , .

Таким образом, .

Если элементы схемы таковы, что и , т.е. , то получаем . Тогда схема имеет частотную характеристику в соответствии с рисунком 3.5, б.

Схема линейна в следующих случаях:

    • С1 – конденсатор с переменной площадью электродов, C2 – постоянная емкость;

    • C1 – постоянная емкость, C2 – конденсатор с переменным зазором.



^

Схема с диодным мостом


Эта схема интересна тем, что может сразу выдавать постоянное напряжение для измерения. Схема выполняется в соответствии с рисунком 3.6.



Рисунок 3.6  Схема с диодным мостом

Емкости C1 и С2 подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов D1, D2, D3, и D4 и двух дополнительных конденсаторов Сс (Сс > C1, C2). В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (D1, D4 или D2, и D3). При этом каждый из конденсаторов Сс соединяется последовательно то с емкостью C1, то с емкостью С2. При неравенстве емкостей C1 и С2 токи через конденсаторы Сс, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах появится постоянное напряжение, которое и является выходным.

Перейдем к упрощенному рассмотрению работы схемы. Предположим, что диоды D1, D2, D3, и D4 идеальны (падение напряжения на диодах ud = 0). Конденсаторы Сс заряжаются, из соображений симметрии, до равных и противоположных по знаку напряжений +uc и -uc соответственно.

Во время положительной полуволны источника с амплитудой Es конденсатор C1 заряжается через D1 до напряжения uc1 = Es + uc, а конденсатор C2 заряжается через D4 до напряжения uc2 = Esuc.

Во время отрицательной полуволны с амплитудой –Es конденсатор C1 заряжается через D2 до напряжения u’c1 =Esuc, а конденсатор C2 заряжается через D3 до напряжения u’c2 =Es + uc.

В течение полного периода колебаний заряд ∆Qc, отдаваемый в емкость Сc, в среднем нулевой: ∆Qc = 0; он является суммой зарядов ∆Q1 и ∆Q2, отдаваемых С1 и C2:

,

где , .

Отсюда получаем зависимость:



либо для измеряемого напряжения:

.

Более строгие вычисления, учитывающие падение напряжения на четырех диодах (по предположению равные) и потенциометрическое деление напряжения источника величинами Сс и С1, C2, приводят к более точному выражению для измеряемого напряжения:

.

Возможная нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпус датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

Емкости двух конденсаторов C1 и С2 могут играть различные роли, а именно:

  • C1 – постоянный конденсатор, а емкостный датчик С2 = C1 + ∆C или наоборот;

  • дифференциальный конденсатор, в котором и .
1   2   3   4



Скачать файл (11883.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации