Дослідження ємнісного перетворювача рівня рідини

С=С0+С1+С2, (1. 2)

де С0 – ємність конструктивних елементів перетворювача (паразитна ємність).

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

Ці складові обчислюються як ємності циліндричних конденсаторів. Загальна ємність перетворювача буде:

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

C=C0+Cn1Eп+Сnh (Eр-Еп)  (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 Еп=1, функція перетворення набуде вигляду

С= а + в h, (1. 7)

де а=С0+Сnl; в=Сn (Ер-1).

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

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 Ер та Еп.

Якщо товщина ізоляції f, то формули (1. 3) та (1. 4) набудуть наступного вигляду:

У всіх наведених формулах Е0=8. 854 (пФ/м) – абсолютна діелектрична проникність вакууму.

 

 

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 ЕР=2. 1; ЕП=1; ЕiЗ=4.

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

 

 

Цифровий вимірювач L, C, R Е7-8 (рис. 1. 2) призначений для автоматичного вимірювання параметрів конденсаторів, котушок індуктивності, резисторів з цифровим відліком вимірюваних величин і виведенням інформації про результати вимірювання в коді 8-4-2-1. В основі роботи приладу лежить мостовий метод з фазочутливими детекторами зрівноваження. Забезпечує вимірювання наступних величин: позитивної і негативної ємності з втратами по паралельній схемі заміщення, вираженими у формі тангенса кута втрат або активної провідності; позитивної та негативної індуктивності з втратами по послідовній схемі заміщення, вираженими у формі тангенса кута втрат або активного опору; активного опору з послідовною реактивною складовою, вираженою у формі позитивної або негативної індуктивності; активної провідності з паралельною реактивною складовою, вираженою у формі позитивної або негативної ємності.

 

 

Структура і робота приладу Е7-8 полягає в наступному: конденсатори, котушки індуктивності та резистори мають комплексні опори і можуть бути представленні у вигляді однієї із схем заміщення (рис. 1. 1 а і б).

 

 

При паралельній схемі заміщення вимірюваний імпеданс представляється у вигляді повної провідності  , складові якої (активна провідність g і реактивна − jB) з’єднанні паралельно

 = g+ jB. (1. 4. 1)

Якщо характер реактивної провідності ємнісний, то

 = g+ jωС, (1. 4. 2)

В=ωС, (1. 4. 3)

ω=2πf, де f – частота.

При індуктивному характері реактивної провідності

і, відповідно, індуктивність при паралельній схемі заміщення проявляється у вигляді негативної ємності.

Таким чином, паралельну схему заміщення можна характеризувати активною провідністю g і позитивною або негативною ємністю ±С.

При послідовній схемі заміщення імпеданс   представляється у вигляді послідовного з’єднання активного опору R і реактивного опору jХ.

 =R+jX. (1. 4. 7)

Послідовну схему заміщення можна характеризувати активним опором R і позитивною або негативною індуктивністю ±L

 =R±jωL, (1. 4. 8)

при чому негативна індуктивність визначає ємнісний характер реактивного опору

Схеми заміщення не завжди відповідають фізичній структурі вимірюваного об’єкту, але в основному на частоті 1 кГц фізична структура конденсаторів відповідає паралельній схемі заміщення, а котушок індуктивності – послідовній. Тому прилад Е7-8 вимірює характеристики конденсаторів у вигляді компонентів паралельної схеми заміщення, а котушок індуктивності – у вигляді компонентів послідовної схеми.

Дуже часто активна складова (втрати) конденсаторів і котушок індуктивності характеризуються відносним фактором втрат. Таким фактором для конденсаторів є тангенс кута втрат (tgδ), а для котушок індуктивності – добротність (Q).

При введені цих характеристик повна провідність і повний опір визначаються за виразами

Прилад Е7-8 забезпечує можливість вимірювання втрат конденсаторів і котушок індуктивності як в формі тангенса кута втрат ( ), так і у формі активної провідності (для конденсаторів) або опору (для котушок індуктивності).

Елементи одної схеми заміщення можуть бути вирахувані при відомих елементах іншої схеми, при цьому тангенс кута втрат для кожної із схем однаковий. Формули перерахунку елементів паралельної схеми в послідовну

Формули перерахунку елементів послідовної схеми в паралельну

Визначення знаку вимірюваної реактивності відбувається як вручну, так і автоматично в режимі С, G i L, R i тільки вручну в режимі С, tgδ або L, tgδ.

Структурна схема вимірювача Е7-8 наведена нижче на рисунку 1. 4.

 

 

Живлення мосту здійснюється від генератора 1000 Гц. Напруга розбалансу мостової схеми через підсилювач сигналу поступає на входи фазових детекторів активної (АС) та реактивної (РС) складових.

Опорні напруги фазових детекторів знімаються з мостової схеми і вибираються такими, щоб зв'язок контурів зрівноваження був мінімальним. Вихідні напруги розбалансу з фазових детекторів подаються на реверсивні лічильники, які управляють станом органів зрівноваження мостової схеми, і на генератори імпульсів, що задають швидкість рахунку реверсивних лічильників. Напрям рахунку реверсивних лічильників визначаються знаком напруги розбалансу фазового детектору, швидкість рахунку – величиною цієї напруги. Чим далі міст від стану рівноваги, тобто більша напруга розбалансу, тим більша частота послідовності імпульсів від генераторів АС і РС, тим більша швидкість рахунку реверсивного лічильника і швидший процес зрівноваження мосту. По мірі приближення до балансу напруга розбалансу зменшується, внаслідок чого уповільнюється швидкість зрівноваження мосту.

Для пуску і зупинки системи дискретного зрівноваження застосовується допоміжна система аналогового зрівноваження (САЗ), плавно зрівноважуючи міст в межах ±0, 6 одиниці дискретності (на рис. 1. 4 вона для спрощення опущена). При наявності розбалансу більшого 0, 6 одиниці дискретності САЗ знаходиться в стані обмеження і відбувається дискретне зрівноваження мосту. В разі досягнення розбалансу, що не перевищує ±0, 6 одиниці дискретності, САЗ виходить зі стану обмеження і зупиняє роботу схеми дискретного зрівноваження мосту.

Конструкція Е7-8 наступна: прилад виконаний в настільному переносному варіанті в безфутлятному оформлені. Передбачена можливість встановлення пристрою в шафу системи.

Органи управління і відлік пристрою, розміщені на передній панелі:

Цифрове табло, на якому показані результати вимірів;

Органи запуску пристрою: тумблер ЗАПУСК, кнопка одиночного запуску РУЧНИЙ і гніздо зовнішнього запуску ЗОВНІШНІЙ;

Два перемикачі ВИД ВИМІРЮВАНЬ, кожний на два положення;

Перемикач МЕЖІ ВИМІРЮВАНЬ на 8 положень;

Чотири гнізда І, U, I', U' для включення відповідних роз’ємів з’єднувальних кабелів;

Перемикач знаку реактивності ЗНАК C, L на 3 положення;

Органи задання вимірювальному об’єкту режимів по постійному струму: стрілковий пристрій, перемикач U ПОЛЯР., І ПІДМАГН. на 3 положення і змінний резистор для регулювання напруги поляризації і струму підмагнічення;

Тумблер МЕРЕЖА;

Пускова клема.

 

 

Перед вмиканням приладу в мережу необхідно ознайомитись з технічним описом, інструкцією по експлуатацією, положенням органів управління і вихідних пристроїв.

Щоб підготувати прилад до роботи, виконайте наступні операції:

• підключіть до приладу кабель живлення;
• заземліть прилад за допомогою клеми захисного заземлення;
• перевірте правильність установки та номінали запобіжників;
• встановіть тумблер МЕРЕЖА в нижнє положення і включіть в мережу кабель живлення приладу;
• до гнізд Zx (I, U, I', U') під’єднайте кабель з’єднувальний №2;
• встановіть перемикач U ПОЛЯР., І ПІДМАГН. в положення ВИКЛ.,

 

 

Для підвищення стійкості показників приладу необхідно вимірювальний об’єкт і прилад розміщувати подалі від джерел електромагнітних полів.

За допомогою затискачів, ємнісний первинний вимірювальний перетворювач під’єднати до цифрового вимірювача R, L, C Е7 – 8 (полярність немає значення).

На лицевій панелі Е7 – 8 ввімкнути тумблер «СЕТЬ» і дайте приладу нагрітись протягом 1 хв.

Перемикачі «Вид измерения» поставити в положення «С, G та G, R».

Тумблер «Запуск» поставити в положення «СЛЕДЯЩИЙ».

Перемикач «Пределы измерений» поставити в положення «АВТ. «.

Перемикач «Знак С, L» поставити в положення «АВТ. «.

 

 

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

1. Виміряти ємність перетворювача без рідини. Для цього нам потрібно виставити по шкалі лінійки рівень нуля і визначити ємність С0.

1. 1. Визначити значення ємності Сі у кожній точці hі. Тобто, виміряти ємність первинного перетворювача десять разів, виставляючи за допомогою гвинта рівень рідини на ряд міток по лінійці, де кожному значенню рівня (hі =1 см; 2 см і т. д.) буде відповідати значення ємності перетворювача. Дані занести до таблиці 1.

2. Побудувати графік залежності ємності від рівня рідини С=f (h).

3. Визначити коефіцієнт функції перетворення.

4. Апроксимувати отриману функцію і побудувати графік.

5. Визначити абсолютну похибку апроксимації в кожній точці значення рівня рідини.

 

 

 

6. Зробити висновки по зробленій роботі.