Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Кафедра метрології та промислової автоматики

Лабораторна робота № _____

“ ДОСЛІДЖЕННЯ ЄМНІСНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА РІВНЯ РІДИНИ”

з дисципліни “Вимірювальні перетворювачі”

Вінниця, ВНТУ 2008

Мета роботи: вивчити принцип дії та конструктивні особливості ємнісного перетворення рівня рідини, отримати практичні навики по визначенню його рівняння перетворення та вимірювання рівня рідини.

1 КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

При контролі та керуванні технологічними виробничими процесами, при контролі якості продукції, що виготовляється, приходиться виготовляти велику кількість вимірювань різних неелектричних величин. Вимірювання великої кількості неелектричних величин потребує сільське господарство, медицина, служба охорони навколишнього середовища. Частка вимірювання рівня від 5 до 10 % усіх вимірів.

У останній час відомо більше десяти методів, на основі яких можуть бути побудовані рівнеміри. Але найширше застосування отримали ємнісні перетворювачі із-за своєї універсальності, високої чутливості та надійності. Ємнісні перетворювачі зберігають працездатність при високому тиску та температурі, можуть працювати у агресивних середовищах. Практичні обмеження на умови експлуатації таких перетворювачів накладаються лише властивостями матеріалів із яких вони виготовлені. На роботу ємнісних перетворювачів впливають зовнішні електричні поля, вологість та температура оточуючого середовища.

У роботі ємнісного перетворювача використаний електроємнісний метод контролю (ЕМК). ЕМК передбачає введення об’єкту контролю або його досліджуваної частини у електростатичному полі та визначення шуканих характеристик об’єкту контролю (ОК) з викликаної ним зворотної реакції на джерело цього поля. В якості джерела поля застосовують електричний конденсатор, який одночасно є і первинним електроємнісним перетворювачем, так як здійснює перетворювання фізичних та геометричних характеристик ОК у електричний параметр (ємність та тангенс кута діелектричних втрат). Електрична ємність та діелектричні втрати є первинними інформаційними параметрами ЕМК. Інформативність ЕМК визначається залежністю первинних інформаційних параметрів ЕП від характеристик об’єкту контролю – безпосередньо від електричних характеристик (наприклад, діелектричної проникності) та геометричних розмірів ОК.

Принцип дії ємнісного рівнеміра полягає у вимірюванні ємності ємнісного перетворювача, наприклад, циліндричного конденсатору, вміщеного у резервуар, у якому треба виміряти рівень рідини.

Конденсатор може бути утворений стінками резервуарами та щупом, які і будуть його електродами. Очевидно, що довжина електродів повинна бути не менше максимального рівню рідини.

---

Ємнісний рівнемір, у загальному випадку, може використовуватись для вимірювання рівню h - площини розділу двох речовин, що відрізняються за своїми електричними характеристиками. Оскільки діелектрична проникність Е_Р рідини, рівень якої вимірюється, відрізняється від діелектричної проникності повітря Е_п (або суміші парів рідини та повітря), то ємнісний перетворювач можна уявити як два паралельно з’єднаних конденсатори. Конденсатор С₁ створений частиною електродів та діелектриком-рідиною, рівень якої вимірюється, а конденсатор С₂ - частиною електродів, що залишилися та діелектриком-повітрям. Ємність перетворювача:

С = С₁+С₂. (1.1)

Необхідною умовою роботи ємнісного перетворювача рівня є відмінність діелектричних проникностей рідини та повітря, тобто Е_РЕ_П. На цій особливості базується принцип дії ємнісного рівнеміра.

В реальних конструкціях ємнісних рівнемірів для забезпечення механічної надійності та зменшення відносного зміщення електродів, останній фіксується з допомогою прокладок, шайб і т.п. Уся ця конструкція буде мати особисту ємність, тобто перетворювач буде мати додаткову конструктивну складову ємності С₀, яка не зміниться в залежності від рівню заповнення перетворювача рідиною. Тоді загальна ємність перетворювача буде складатися із ємності трьох паралельно з’єднаних конденсаторів, тобто:

С=С₀+С₁+С₂, (1.2)

де С₀ - ємність конструктивних елементів перетворювача.

Якщо перетворювач використовувати для вимірювання не електропровідних рідин, то розрахункові формули перетворювача будуть мати вигляд:

(1.3)

(1.4)

Ці складові обчислюються як ємності циліндричних конденсаторів (1.4). Загальна ємність перетворювача

(1.5)

Або, якщо позначити член як погонну геометричну ємність, то отримаємо вираз для рівняння перетворення у вигляді:

C=C₀+C_n1E_п+С_nh(E_р-Е_п) (1.6)

Як видно із останнього виразу, функція перетворення ємнісного перетворювача є лінійною відносно рівня, який вимірюється, але має початкове зміщення.

Якщо рідина, рівень якої вимірюється, не випаровується при робочій температурі експлуатації, то у повітрі над поверхнею відсутні пари рідини, і, враховуючи те, що діелектрична проникність повітря Е_п=1, функція перетворення набуде вигляду

С= а + в h , (1.7)

де а = С₀+С_nl ; в = С_n(Е_р-1).

Завдяки лінійності функції перетворення, чутливість ємнісного перетворювача є сталою величиною та визначається за формулою:

(1.8)

В разі вимірювання рівнів електропровідних, а також хімічно-активних рідин (лугів, кислот, солоної води і т.п.) для захисту електродів від корозії, їх покривають шаром ізоляційного покриття із діелектричною проникністю Еіз, причому Еіз відмінне від значень Е_р та Е_п.

---

Якщо товщина ізоляції f, то формули (1.3) та (1.4) набудуть наступного вигляду:

(1.9)

(1.10)

У всіх наведених формулах Е₀=8.854 (пФ/м) - абсолютна діелектрична проникність вакууму.

2 МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЄМНІСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Як було сказано вище, принцип дії ємнісних рівнемірів оснований на вимірюванні ємнісного первинного перетворювача, який являє собою конденсатор із довгими електродами, що перетинаються межею розділу двох середовищ - повітря та рідини. Ємність цього конденсатора залежить не тільки від рівня, що вимірюється, але і від геометричних розмірів електродів, а також електричних властивостей речовин, що знаходяться між його електродами. Відомо, що ці характеристики (особливо діелектрична проникність) майже в усіх речовин нестабільні, та залежать від багатьох факторів (температури, домішок, складу і т.д.).

Тому залежність ємності перетворювача від значення рівня не однозначна. Зміна значення Е_р рідини, рівень якої вимірюється, безпосередньо впливає на похибку вимірювання рівня. При відносній зміні діелектричної проникності рідини на _Р відносна зміна ємності перетворювача буде

(2.1)

тобто перевищує значення зміни _{Р .}

Якщо функція перетворення, описана рівністю (1.5), відома для температури t₁ , то при зміні температури рідини на t , відносна похибка буде рівна:

(2.2)

де Е_Р=Е_Рt1(1+tt);

Е_Рt1 - значення діелектричної проникності рідини при температурі t₁;

t - температурний коефіцієнт діелектричної проникності рідини.

З (2.2) видно, що похибка вимірювань діелектричної проникності носить мультиплікативний характер, тобто залежить від вимірюваного рівня. Останнім часом розроблені рівнеміри з компенсацією похибки від вимірювання Е_Р з допомогою спеціальних схем з введенням компенсуючих перетворювачів.

Зміна геометричних розмірів перетворювача впливає як на адитивну, так і на мультиплікативну складову похибки перетворювача. Але, оскільки зміна розмірів у залежності від температури незначна (коефіцієнт лінійного розширення металів (5...10 10^-6к^-1)), то складова похибки буде відносно невеликою (порядку сотих долей відсотку) і в більшості випадків нею нехтують.

3 ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТУ

Пристрій, що використовується у даній роботі, складається із резервуара 1, у якому вміщений циліндричний ємнісний перетворювач 2. Резервуар із перетворювачем з’єднаний гнучким шлангом 3 з додатковим резервуаром 4 з рідиною. Останній може зміщуватись з допомогою гвинта 5. Біля резервуара розміщена лінійка 6 із поділками через 1 мм. Перетворювач під’єднаний до цифрового мосту 7. Зміщуючи, за допомогою гвинта додатковий резервуар, можна вимірювати рівень рідини у резервуарі 1, який вимірюється лінійкою, а ємність перетворювача - цифровим мостом.

У лабораторній роботі досліджується ємнісний перетворювач, який використовується для вимірювання рівня води у резервуарі. Загальна довжина перетворювача l = 38,5 см. Діаметр зовнішнього електрода - 13 мм, внутрішнього - 6 мм, товщина ізоляції - 1 мм. Рівень, що вимірюється, близько - 10 см, ємність незаповненого рідиною перетворювача - 38 пФ. Діелектрична проникність рідини, повітря та ізоляції рівні відповідно Е_Р=2.1; Е_П=1; Е_iЗ=4.

---

Абсолютна похибка вимірювання по лінійці не перевищує 0,5 мм. 0,2% загального рівня рідини. Похибка вимірювання ємності мостом не перевищує 0,1%.

4 ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ЄМНІСНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ТА ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ

Експериментальне визначення коефіцієнтів функції перетворення С=f(h) та похибки вимірювання провести у наступному порядку:

4.1 Ввімкнути цифровий міст та виміряти ємність перетворювача без рідини. Вирахувати ємність С₀ -- конструктивну складову ємності перетворювача по відповідній формулі. Порівняти результати.

4.2 Зняти та побудувати експериментальну функцію перетворювача С=f(h). Для цього, виставляючи за допомогою гвинта рівень рідини на ряд міток по лінійці, виміряти при кожному значення рівня (h_і =10 мм; 15 мм) ємність перетворювача десять раз (таблиця 4.1). Визначити значення ємності С_J у кожній точці h_j. Для чого визначити середнє арифметичне значення результатів вимірювання ємності:

, де n=10.

4.2.1 Визначити випадкові відхилення ряду і вимірювань _j=C_ij – C_jcp.

4.2.2 Знайти середньоквадратичне відхилення похибки і-го ряду вимірювання С_і у точці h_і:

_.

4.2.3 Знайти оцінку СКО середньоарифметичного значення С_jcр:

.

4.2.4 Задавшись ймовірністю Р, по таблиці 4.2, знайти значення коефіцієнту розподілу Ст'юдента t та визначити межі довірчого інтервалу похибки результату вимірювань

.

4.2.5 Записати значення результату вимірювання згідно “ ГОСТ 8.011-72”

при Р.

4.2.6 Запропонувати схеми пристрою для вимірювання за допомогою перетворювача заданого викладачем рівня рідини мостовим та резонансним методом, використовуючи міст Е7-11 та куметр Е9-4. Оцінити похибку вимірювання заданого рівня. При визначенні дійсного значення використовуйте метод зразкового приладу. Результати занести у таблицю.

4.3 Зробіть висновки по роботі.

Таблиця. 4.1

tj,oC
hj,мм
1 2 Сі,пФ 3 : n
.
при Р=

Таблиця 4.2

n	Коефіцієнти розподілу Ст'юдента при Р.
	0,5	0,9	0,95	0,98	0,99
10	0,703	1,83	2,26	2,82	3,25

Контрольні запитання

1. Загальні властивості ємнісних перетворювачів.

2. Основні види ємнісних перетворювачів.

3. Конструктивні різновиди ємнісних рівнемірів.

4. Що покладено в основу вимірювальних кіл ємнісних перетворювачів.

Література

1.Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: “Львівська політехніка”, 2000. - С.276 – 281.

2. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.

3. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно-вимірювальна техніка.-К.:НМК ВО, 1991.

---

Смотрите также файлы

• 342-345.pdf

• 456-457.pdf

• 401-455.pdf

• 551-668.pdf

• 340.pdf