Покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.586.772

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОКРАЩЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЄМНІСНИХ ДАТЧИКІВ РІВНЯ

спеціальність 05.13.05 - комп'ютерні системи та компоненти

БАЗІЛО КОСТЯНТИН ВІКТОРОВИЧ

Черкаси - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Шарапов Валерій Михайлович, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп'ютеризованих та інформаційних технологій у приладобудуванні.

Офіційні опоненти:

Кошовий Микола Дмитрович, доктор технічних наук, професор Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань;

Нікольський Віталій Валентинович, доктор технічних наук, професор Одеська національна морська академія, завідувач кафедри суднової електромеханіки та електротехніки.

Захист відбудеться "20" травня 2009 р. о 14⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий " 15 " квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення й створення нових ємнісних датчиків для комп'ютерних систем, систем керування, автоматичного контролю й приладобудування, зокрема, ємнісних датчиків рівня.

Вимірювання рівня - розповсюджений вимірювальний процес у нафтопереробній, нафтохімічній, хімічній та інших галузях промисловості. Рівень робочого середовища є технологічним параметром, інформація щодо якого необхідна для контролю режиму роботи технологічного апарату, а у ряді випадків - для управління виробничим процесом. Засоби контролю рівня являються компонентами комп'ютерних систем, а також систем автоматизації виробництва, якість яких у значній мірі визначає ефективність цих систем.

Сучасні комп'ютерні системи потребують статистичних й інформаційних даних, які дозволяють оцінити витрати, запобігти збиткам, оптимізувати управління виробничим процесом, підвищити ефективність використання сировини. Цей постійний попит на інформацію призводить до необхідності використання в системах контролю не простих сигналізаторів, а засобів, що забезпечують неперервне вимірювання.

Від характеристик датчиків значною мірою залежать точність і надійність роботи комп'ютерних систем, а також систем керування й регулювання, приладів контролю технологічних процесів, безпека роботи літальних апаратів.

Внаслідок простоти, зручності монтажу та обслуговування, відносно високої точності та надійності ємнісні датчики рівня знаходять широке застосування в промисловості.

Розробками ємнісних датчиків рівня займалися багато вчених: Форейт Й., Ацюковський В.А., Медведєв Г.В., Кошовий М. Д, Мінаєв І.Г., Поліщук Є.С., Шарапов В.М. та ін. Досягнуто значних результатів у цій області, внаслідок чого була розроблена велика кількість датчиків рівня. Однак основними їхніми недоліками є відносно низька чутливість та відносно великі габарити.

Тому роботи із вдосконалення ємнісних датчиків рівня для підвищення чутливості та зменшення їхніх габаритів є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до держбюджетної науково-дослідної роботи "Розробка методів синтезу п'єзокерамічних перетворювачів з урахуванням просторової енергосилової структури п'єзоелемента й багатоконтурних ланцюгів зворотного зв'язку" (держ. реєст. № 0106U004499), а також за договором з МОНУ №ДЗ/309-2008 від 23.05.2008 - "Розроблення твердотільних та еластичних п'єзомагнітних перетворювачів механічної енергії в електричну" (держ. реєст. № 0108U005211).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня.

Для досягнення поставленої мети, необхідно виконати такі завдання:

- провести аналіз стану сучасних ємнісних датчиків рівня;

- побудувати й дослідити математичну модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами;

- побудувати й дослідити математичну модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з радіальними електродами;

- побудувати й дослідити математичну модель двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами;

- провести експериментальні дослідження розроблених ємнісних датчиків рівня.

Об'єкт дослідження - процес вимірювання рівня рідких середовищ.

Предмет дослідження - ємнісні датчики рівня.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувалися ємнісний метод вимірювання рівня діелектричних рідин та теорія електромагнітного поля. При аналізі властивостей ємнісних датчиків рівня використовувалися математичні методи (рішення диференційних рівнянь і рівнянь Лапласа, метод конформних перетворень). Для аналізу характеристик ємнісних датчиків рівня були використані також методи математичного моделювання, фізичні експерименти на макетах і дослідницьких зразках.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними й залежностями, виготовленням дослідних зразків і їх випробуванням.

Наукова новизна отриманих результатів:

– вперше побудована та досліджена математична модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами, що дозволило проектувати ємнісні датчики даного типу з необхідними технічними характеристиками;

– вперше побудована та досліджена математична модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з радіальними електродами, що дає змогу покращити точність проектування ємнісних датчиків рівня;

– вперше побудована та досліджена математична модель двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами, що дозволяє знаходити оптимальні геометричні параметри при проектуванні ємнісних датчиків рівня;

– отримала подальший розвиток теорія ємнісних датчиків рівня, зокрема, запропоновано новий метод проектування ємнісних датчиків рівня, який характеризується варіацією форми та просторового розташування електродів ємнісного датчика.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

- розширено науково-технічну базу проектування ємнісних датчиків рівня для комп'ютерних систем та систем керування й автоматичного контролю, вимірювальної техніки;

- побудовані математичні моделі дозволяють оцінювати та прогнозувати статичні характеристики ємнісних датчиків рівня;

- розроблені поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з поверхневими електродами, поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з радіальними електродами та двохелектродні ємнісні датчики рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами дають можливість підвищити чутливість та зменшити габарити ємнісних датчиків рівня;

- результати досліджень використовуються в промисловості, зокрема, у НВК "Фотоприлад" та ВАТ "Укрп'єзо", а також у навчальному процесі з дисципліни "Перетворюючі пристрої приладів" у Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. За результатами наукових досліджень опубліковано 2 особисті праці [6, 17]. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві особисто належить: [3, 5, 8]- розробка та дослідження математичних моделей; [4, 9-16, 18-22]- проведення експериментальних досліджень; [1-5, 7-9]- отримання висновків за результатами досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 3 міжнародних конференціях: VII науково - технічній конференції "Приладобудування: стан і перспективи" (Київ, 2008); IV Міжнародній молодіжній науково - технічній конференції "Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ - 2008" (Севастополь, 2008); IV Міжнародній науково - технічній конференції "Датчики, прилади та системи - 2008" (Черкаси - Гурзуф, 2008).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 22 наукових працях, у тому числі в 5 статтях у журналах, затверджених ВАК України, а також в 6 доповідях і тезах на міжнародних конференціях, 11 патентах України на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, списку використаних джерел (120 джерел) та 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 168 сторінок. Робота містить 77 рисунків, 10 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета й завдання дослідження, відображені наукова новизна й практична цінність роботи, наведені дані про апробацію, публікації й застосування результатів дослідження.

В першому розділі приведено аналіз відомих засобів контролю рівня рідких середовищ, а також оцінені їх переваги та недоліки. Для ємнісних датчиків рівня характерні простота монтажу й експлуатації, зручна форма залежності між вхідною та вихідною величинами, яка є, як правило, лінійною. Перевагою ємнісних датчиків являється можливість легкого пристосування їхньої форми до різних задач.

а) б)

Рис. 1. Ємнісний датчик рівня: а) коаксіальний; б) планарний

Принцип дії ємнісних датчиків заснований на властивостях електричного конденсатора, ємність якого змінюється під впливом вимірюваної фізичної величини. Величина ємності конденсатора залежить від форми та розмірів електродів і їх взаємного розташування один відносно одного, а також від властивостей середовища між ними.

Відомі коаксіальні та планарні датчики рівня (рис. 1), основним недоліком яких являється відносно невисока чутливість.

Сформульовано мету і задачі дослідження.

В другому розділі була побудована та досліджена математична модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами.

Відомі ємнісні датчики мають відносно невисоку чутливість. Для покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня було запропоновано метод проектування ємнісних датчиків рівня, який характеризується варіацією форми та просторового розташування електродів ємнісного датчика.

Для даного методу характерно те, що змінюючи форму електродів можна одержати різні технічні характеристики ємнісних датчиків рівня. Крім того, використовуючи одні й ті ж електроди, всього лише шляхом зміни їх взаємного розташування можна досягти покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня.

Запропоновані поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з поверхневими електродами представлені на рис. 2.

а) б)

Рис. 2. Поліелектродний циліндричний ємнісний датчик рівня з поверхневими зовнішніми (а) та внутрішніми (б) електродами: 1 - діелектричний циліндр; 2 - електроди

Для розрахунку початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами було використано метод конформних перетворень:

,

де n - кількість електродів; е₀ - діелектрична стала; h - висота датчика; е - діелектрична проникливість циліндра; K(k) - повний еліптичний інтеграл першого роду; k - модуль еліптичного інтеграла;

d - відстань між електродами; a - ширина електродів; ш - аргумент.

При зануренні датчика рівня у резервуар з рідиною ємність датчика стає еквівалентною паралельному з'єднанню двох ємностей, одна з яких - це ємність частини датчика висотою x, заповненої рідиною з відносною діелектричною проникливістю , друга - ємність вільної від рідини частини датчика висотою (h-x).

В датчиках рівня для рідин, що проявляють електропровідні властивості, електроди датчика необхідно ізолювати для запобігання короткого замикання. Ізоляційний шар, в свою чергу, призводить до зміни передаточної характеристики, що може бути враховано введенням поправочного коефіцієнта m.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд:

, (1)

де - ємність з'єднувальних проводів; m - поправочний коефіцієнт; - діелектрична проникливість досліджуваної рідини; - рівень досліджуваної рідини.

Для визначення ємності C₀, відповідно до (1), необхідно використовувати метод пустого-заповненого датчика.

Нехай ємність пустого датчика C₁, ємність датчика, заповненого рідиною - С ₂, а діелектрична проникливість рідини - . Тоді:

.

Чутливість поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд:

Рис. 3. Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами

На рис. 3 представлена передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами при m = 8,4; n = 8; C₀=15 пФ та різному значенні діелектричної проникливості рідини (вода - 80; метиловий спирт - 33,8; ацетон - 21,4, розрахована з використанням пакета Mathcad 2001.

Для більш точного розрахунку поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами необхідно зважати на додаткові ємності, які виникають при покритті електродів ізоляційним матеріалом. датчик рівень передаточна чутливість

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд:

де е_д - діелектрична проникливість ізоляційного шару; д - товщина ізоляційного шару; е_ц - діелектрична проникливість циліндра.

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими електродами має вигляд:

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими зовнішніми електродами, виготовлені із стеклотекстоліта марки СТЕФ зі сталими діелектричними властивостями з латунними електродами, покритими епоксидним лаком, з наступними параметрами: висота датчика 130 мм; зовнішній діаметр 15,3 мм; ширина електродів 4 мм; товщина електродів 0,1 мм; відстань між електродами 2 мм; початкова ємність датчика 21 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм у рідину (воду), - 85 пФ.

Рис. 4. Експериментальна передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з поверхневими зовнішніми електродами

Залежність ємності C поліелектродного циліндрич-ного датчика рівня з поверхневими зовнішніми електродами від глибини занурення у рідину x (рис. 4) лінійна й відповідає графіку передаточної характеристики, приведеному на рис. 3.

Для контролю ємнісних датчиків пропонується їх включення в схеми диференцію-ючого та інтегруючого ланцюгів.

В якості генератора використовувався генератор сигналів низькочастотний Г 3-106, з якого подавався меандр амплітудою 1 В і частотою 10 кГц.

Осцилограми вхідної та вихідної напруги диференціюючого ланцюга з поліелектродним циліндричним ємнісним датчиком рівня з поверхневими електродами приведені на рис. 5.

а) б)

Рис. 5. Осцилограми вхідної (а) та вихідної (б) напруги диференціюючого ланцюга

Осцилограми вхідної та вихідної напруги інтегруючого ланцюга з поліелектродним циліндричним ємнісним датчиком рівня з поверхневими електродами приведені на рис. 6.

а) б)

Рис. 6. Осцилограми вхідної (а) та вихідної (б) напруги інтегруючого ланцюга

При включенні ємнісних датчиків в схеми диференціюючого та інтегруючого ланцюгів можна проводити їхній контроль на такі поширені дефекти, як обрив та коротке замикання.

Таким чином, в результаті досліджень було виявлено, що використання поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 15-20 %, а також зменшити їхні габарити більш, ніж у 3 рази порівняно з планарними ємнісними датчиками рівня.

В третьому розділі була побудована та досліджена математична модель поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з радіальними електродами.

Як відомо, технічні характеристики ємнісних датчиків залежать від взаємного розташування електродів датчика. Тому доречним представляється, змінюючи взаємне розташування електродів поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими електродами, створення на їх основі нових ємнісних датчиків рівня з покращеними технічними характеристиками.

Запропоновані поліелектродні циліндричні ємнісні датчики рівня з радіальними електродами представлені на рис. 7.

а) б)

Рис. 7. Поліелектродний циліндричний ємнісний датчик рівня з радіальними зовнішніми (а) та внутрішніми (б) електродами: 1 - діелектричний циліндр; 2 - електроди

Для розрахунку початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними електродами було розв'язано рівняння Лапласа в циліндричній системі координат.

Початкова ємність поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд:

,

де - кількість електродів; - висота датчика; - діелектрична стала; - внутрішній радіус датчика; - ширина електродів; - кут між електродами:

.

Початкова ємність поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд:

,

де - радіус датчика (без електродів).

Як відомо, в датчиках рівня для рідин, що проявляють електропровідні властивості, електроди датчика необхідно ізолювати. Ізоляційний шар, в свою чергу, призводить до зміни передаточної характеристики, що може бути враховано введенням поправочного коефіцієнта m. При підключенні ємнісного датчика рівня до вторинної вимірювальної апаратури необхідно також враховувати ємність , зумовлену з'єднувальними проводами від електродів до вторинної апаратури.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд:

,

де - ємність з'єднувальних проводів; m - поправочний коефіцієнт; - рівень досліджуваної рідини; - діелектрична проникливість досліджуваної рідини.

Передаточна функція поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд:

.

Чутливість поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми та зовнішніми електродами відповідно мають вигляд:

;

.

Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами при різній кількості електродів n (m = 8,4; е = 80 (вода); C₀ = 20 пФ) та різному значенні діелектричної проникливості рідини е (вода - 80; метиловий спирт - 33,8; ацетон - 21,4), що розрахована з використанням пакета Mathcad 2001, представлена на рис. 8, а та 8, б відповідно.

а) б

Рис. 8. Передаточна характеристика поліелектродного циліндричного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами

Для більш точного розрахунку поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними електродами необхідно зважати на додаткові ємності, які виникають при покритті електродів ізоляційним матеріалом.

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд:

,

де е_д - діелектрична проникливість ізоляційного шару;

;

- внутрішній радіус датчика; д - товщина ізоляційного шару.

Уточнена формула початкової ємності поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами:

.

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами має вигляд:

Уточнена формула передаточної функції поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними зовнішніми електродами має вигляд:

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами, виготовлені із стеклотекстоліта марки СТЕФ зі сталими діелектричними властивостями з латунними електродами, покритими епоксидним лаком, з наступними параметрами: висота датчика 130 мм; зовнішній діаметр 16 мм; внутрішній діаметр (без електродів) 15,3 мм; ширина електродів 3,5 мм; товщина електродів 0,1 мм; відстань між електродами 6 мм; початкова ємність датчика 21 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм у рідину (воду), - 99 пФ.

Рис. 9. Експериментальна передаточна характеристика поліелектродного циліндричного ємнісного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами

Залежність ємності C поліелектродного циліндрич-ного датчика рівня з радіальними внутрішніми електродами від глибини занурення у рідину x (рис. 9) лінійна й відповідає графікам передаточної характеристики, приведеним на рис. 8.

Таким чином, в результаті досліджень було виявлено, що використання поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з радіальними електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 10-15 % порівняно з поліелектродними циліндричними ємнісними датчиками рівня з поверхневими електродами.

В четвертому розділі була побудована та досліджена математична модель двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами.

Як відомо одним із недоліків коаксіальних ємнісних датчиків рівня являється те, що забруднення зазору між електродами, а також залишок рідини у зазорі призводять до погіршення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня. Виходячи з цього, було запропоновано замінити один із циліндричних електродів на дисковий.

Рис. 10. Двохелектродний ємнісний датчик рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами: 1 - дисковий електрод; 2 - циліндричний електрод

Запропонований двохелектродний ємнісний датчик рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами представлений на рис. 10.

Початкова ємність двохелектродного ємнісного датчика рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами має вигляд:

,

де е₀ - діелектрична стала; е_д - діелектрична проникливість ізоляційного шару між циліндричним та дисковим електродами; r - радіус циліндричного електроду; d - товщина діелектричного шару між циліндричним та дисковим електродами; С ₀ - ємність з'єднувальних проводів.

Передаточна функція двохелектродного ємнісного датчика рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами має вигляд:

, (2)

де е_д - діелектрична проникливість ізоляційного покриття циліндричного електроду; x - рівень електропровідної рідини; R - радіус дискового електрода; д - товщина ізоляційного покриття електродів.

Чутливість двохелектродного ємнісного датчика рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами має вигляд:

Рис. 11. Експериментальна передаточна характеристика двохелектродного ємнісного датчика рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки двохелектродного датчика рівня, виготовлені з пластини гетинаксу, покритої епоксидним лаком, та металопластикової трубки зі сталими діелектричними властивостями з наступними параметрами: висота циліндричного електрода 115 мм; діаметр циліндричного електрода 14 мм; діаметр круглого електрода 81 мм; початкова ємність датчика 16 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм в електропровідну рідину (воду, насичену солями), - 159 пФ.

На рис. 11 приведена передаточна характеристика двохелектродного ємнісного датчика рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами, яка відповідає виразу (2).

Таким чином, в результаті досліджень було виявлено, що використання двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 30 % порівняно з коаксіальними ємнісними датчиками рівня.

Як варіант вдосконалення двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами був розроблений секційний датчик рівня (рис. 12).

Для проведення експериментальних досліджень використовувалися зразки секційного датчика рівня, виготовлені з пластини гетинаксу, покритої епоксидним лаком, та металопластикової трубки зі сталими діелектричними властивостями з наступними параметрами: висота циліндричного електрода (одна секція) 100 мм; діаметр циліндричного електрода 14 мм; діаметр круглого електрода 81 мм; початкова ємність датчика 48 пФ; ємність датчика, зануреного на 100 мм (друга секція) в електропровідну рідину (воду, насичену солями), - 400 пФ.

Експериментальна передаточна характеристика секційного датчика рівня приведена на рис. 13.

Рис. 12. Секційний ємнісний датчик рівня

Рис. 14. Ємнісний датчик з п'єзоелементом: 1 - внутрішній електрод; 2 - зовнішній електрод; 3 - п'єзоелемент

Для покращення технічних характеристик ємнісних датчиків було запропоновано використати п'єзоелемент (рис. 14). При подачі напруги п'єзоелемент надає ємнісному датчику коливального руху, що запобігає затримці рідини на поверхні ємнісного датчика.

В п'ятому розділі проведений аналіз відомих пристроїв для вимірювання ємності. Найбільш перспектив-ним являється побудова комп'ютерних систем з ємнісними датчиками на базі мікроконтролерів. Виявлено, що недоліком розглянутих пристроїв є обмеженість функціональних можливостей.

Рис. 15. Цифровий вимірювач ємності

Запропоновано пристрій з розширеними функціональними можливостями (рис. 15), що дозволяє вимірювати окремо ємність та діелектричні втрати ємнісних датчиків.

ВИСНОВКИ

Основні результати дисертаційної роботи наступні:

1. Проведені дослідження, що направлені на вдосконалення ємнісних датчиків рівня, які являються компонентами комп'ютерних систем, систем автоматичного управління, приладобудування, а також вимірювальної техніки, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні й достовірні методи досліджень. Отримані результати використовуються в промисловості та у навчальному процесі.

2. Результати досліджень, розроблені конструктивні рішення та метод вдосконалення ємнісних датчиків рівня розширили науково-технічну базу проектування ємнісних датчиків рівня, що дозволяє створювати ємнісні датчики рівня з покращеними технічними характеристиками.

3. В результаті досліджень було встановлено, що технічні характеристики ємнісних датчиків рівня залежать від форми та взаємного розташування електродів.

4. Проведено математичне моделювання поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими та радіальними електродами, а також двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами.

5. Використання поліелектродних датчиків рівня з поверхневими електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 15-20 %, а також зменшити їхні габарити більш, ніж у 3 рази порівняно з планарними датчиками рівня. Використання поліелектродних датчиків рівня з радіальними електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 10-15 % порівняно з датчиками рівня з поверхневими електродами. Використання двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами дозволило підвищити відносну чутливість ємнісних датчиків на 30 % порівняно з коаксіальними ємнісними датчиками рівня.

6. В результаті досліджень встановлено, що застосування метода варіації форми та просторового розташування електродів ємнісного датчика дає можливість покращити технічні характеристики ємнісних датчиків рівня та проектувати ємнісні датчики рівня з необхідними технічними характеристиками.

7. Отримані аналітичні вирази для визначення початкової ємності, передаточної характеристики та чутливості поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими та радіальними електродами, а також двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шарапов В.М. Емкостные датчики уровня / В.М. Шарапов, К.В. Базило // Вісник ЧДТУ. - 2007. - № 3-4. - С. 184-187.

2. Шарапов В.М. Повышение технических характеристик емкостных датчиков уровня / В.М. Шарапов, К.В. Базило // Вісник ЧДТУ. - 2008. - № 1. - С. 127-128.

3. Шарапов В.М. Емкостные датчики с радиальными электродами. Методика расчета / В.М. Шарапов, К.В. Базило // Вісник ЧДТУ. - 2008. - № 2. - C. 71-73.

4. Шарапов В.М. Повышение технических характеристик пьезоэлектрических трансформаторов в дорезонансной области / В.М. Шарапов, К.В. Базило, Ж.В. Сотула // Вісник ЧДТУ. - 2008. - № 2. - С. 74-76.

5. Шарапов В.М. Определение статической характеристики полиэлектродных цилиндрических датчиков уровня с поверхностными электродами / В.М. Шарапов, К.В. Базило // Вісник ЧДТУ. - 2008. - № 3. - С. 21-23.

6. Базило К.В. Емкостные датчики для контроля уровня жидкости / К.В. Базило // Матеріали IV міжнар. наук.-техн. конф. "Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ - 2008". - 2008. - С. 185.

7. Sharapov V.M. Capacity level sensors. Increase of technical characteristics / V.M. Sharapov, K.V. Bazilo, D.E. Romanenko // Тези IV міжнар. наук.-техн. конф. "Датчики, прилади та системи - 2008". - 2008. - С. 107.

8. Шарапов В.М. О методике расчета емкостных датчиков с радиальными електродами / В.М. Шарапов, К.В. Базило, Г.Г. Ишанин // Тези IV міжнар. наук.-техн. конф. "Датчики, прилади та системи - 2008". - 2008. - С. 105-106.

9. Sharapov V.M. Increase of coefficient of transformation of piezoelectric transformers in a up to resonant area / V.M. Sharapov, K.V. Bazilo, Zh.V. Sotula, S.A. Filimonov, D.E. Romanenko // Тези IV міжнар. наук.-техн. конф. "Датчики, прилади та системи - 2008". - 2008. - С. 108-109.

10. Sharapov V.M. Research of dynamic characteristics of domain dissipative piezotransformators / V.M. Sharapov, V.V. Tuz, Zh.V. Sotula, K.V. Bazilo, S.A. Filimonov // Тези IV міжнар. наук.-техн. конф. "Датчики, прилади та системи - 2008". - 2008. - С. 116-117.

11. Sharapov V.M. Stand for diagnostics of piezoceramic scanners of probe nanomicroscopes / V.M. Sharapov, S.A. Filimonov, K.V. Bazilo, Zh.V. Sotula, D.E. Romanenko // Тези IV міжнар. наук.-техн. конф. "Датчики, прилади та системи - 2008". - 2008. - С. 118-119.

12. Пат. 30145 Україна, МПК G01F 23/24. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200712622; заявл. 14.11.07; опубл. 11.02.08.

13. Пат. 30153 Україна, МПК G01F 23/24. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200712632; заявл. 14.11.07; опубл. 11.02.08.

14. Пат. 32734 Україна, МПК G01F 23/24. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200800967; заявл. 28.01.08; опубл. 26.05.08, Бюл. № 10.

15. Пат. 32736 Україна, МПК G01F 23/24. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200800976; заявл. 28.01.08; опубл. 26.05.08, Бюл. № 10.

16. Пат. 33516 Україна, МПК G01F 23/22. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200802403; заявл. 25.02.08; опубл. 25.06.08, Бюл. № 12.

17. Пат. 34047 Україна, МПК G01F 23/24. Ємнісний датчик рівня / Базіло К.В. - № 200802425; заявл. 25.02.08; опубл. 25.07.08, Бюл. № 14.

18. Пат. 37313 Україна, МПК G01F 23/00. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - № 200807349; заявл. 28.05.08; опубл. 25.11.08, Бюл. № 22.

19. Пат. 37519 Україна, Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В. - МПК G01F 23/00 по заявці № 200809342; заявл. 17.07.08; опубл. 25.11.08, Бюл. № 22.

20. Пат. 38605 Україна, МПК G01F 23/22. Ємнісний датчик рівня / Шарапов В.М., Базіло К.В., Гуржій А.М., Гуржій А.А. - № 200809353; заявл. 17.07.08; опубл. 12.01.09, Бюл. № 1.

21. Пат. 13525 Україна, МПК G01L 1/16, G01P 15/09. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Бондаренко Ю.Ю., Базіло К.В., Бублей А.В. - № 200506913; заявл. 13.07.05; опубл. 17.04.06, Бюл. № 4.

22. Пат. 13528 Україна, МПК G01L 1/16, G01P 15/09. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Бондаренко Ю.Ю., Базіло К.В., Бублей А.В. - № 200506925; заявл. 14.07.05; опубл. 17.04.06, Бюл. № 4.

АНОТАЦІЯ

Базіло К.В. Покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05. - Комп'ютерні системи та компоненти. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2009.

Дисертаційна робота "Покращення технічних характеристик ємнісних датчиків рівня" присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалювання компонентів для комп'ютерних систем, зокрема, ємнісних датчиків рівня.

У даній роботі побудовані та досліджені моделі, а також отримані і досліджені передаточні функції і статичні характеристики поліелектродних циліндричних ємнісних датчиків рівня з поверхневими та радіальними електродами та двохелектродних ємнісних датчиків рівня з перпендикулярними дисковим та циліндричним електродами. Отримані аналітичні вирази для розрахунку початкової ємності та чутливості розроблених ємнісних датчиків рівня. Крім того, запропоновано метод проектування ємнісних датчиків рівня, який характеризується варіацією форми та просторового розташування електродів ємнісного датчика, що дозволяє розширити технічну базу проектування ємнісних датчиків рівня та проектувати ємнісні датчики рівня з необхідними технічними характеристиками.

Ключові слова: вимірювач рівня, ємнісний датчик, передаточна характеристика, чутливість.

АННОТАЦИЯ

Базило К.В. Улучшение технических характеристик емкостных датчиков уровня. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05. - Компьютерные системы и компоненты. Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2009.

Диссертационная работа "Улучшение технических характеристик емкостных датчиков уровня" посвящена актуальным вопросам дальнейшего совершенствования компонентов для компьютерных систем, а именно, емкостных датчиков уровня.

В результате исследования емкостных датчиков уровня было установлено, что технические характеристики емкостных датчиков зависят от формы и взаимного расположения электродов.

Для повышения технических характеристик емкостных датчиков уровня был предложен метод проектирования емкостных датчиков уровня, заключающийся в вариации формы и пространственного расположения электродов емкостного датчика.

Для данного метода характерно то, что изменяя форму электродов можно получить различные технические характеристики емкостных датчиков уровня. Кроме того, используя одни и те же электроды, всего лишь путем изменения их взаимного расположения можно достичь улучшения технических характеристик емкостных датчиков уровня.

Были разработаны и исследованы полиэлектродные цилиндрические емкостные датчики уровня с поверхностными электродами, полиэлектродные цилиндрические емкостные датчики уровня с радиальными электродами, а также двухэлектродные емкостные датчики уровня с перпендикулярными дисковым и цилиндрическим электродами, которые обладают большей чувствительностью по сравнению с коаксиальными и планарными емкостными датчиками уровня.

В диссертационной работе было проведено математическое моделирование полиэлектродных цилиндрических емкостных датчиков уровня с поверхностными электродами, полиэлектродных цилиндрических емкостных датчиков уровня с радиальными электродами, а также двухэлектродных емкостных датчиков уровня с перпендикулярными дисковым и цилиндрическим электродами.

Получены аналитические выражения для определения начальной емкости, градуировочной характеристики и чувствительности полиэлектродных цилиндрических емкостных датчиков уровня с поверхностными электродами, полиэлектродных цилиндрических емкостных датчиков уровня с радиальными электродами, а также двухэлектродных емкостных датчиков уровня с перпендикулярными дисковым и цилиндрическим электродами.

Одним из недостатков коаксиальных емкостных датчиков уровня является то, что засорение зазора между электродами, а также остатки жидкости в зазоре приводят к ухудшению технических характеристик емкостных датчиков уровня. Во избежание накапливания жидкости в зазоре емкостного датчика уровня было предложено использовать пьезоэлемент. При подаче напряжения пьезоэлемент передает емкостному датчику колебательное движение, которое препятствует задержке жидкости на электродах датчика.

В работе был проведен анализ измерительных схем емкостных преобразователей, который показал, что недостатком известных измерителей емкости является ограниченность функциональных возможностей. Устройства не позволяют измерять отдельно емкость и диэлектрические потери емкостного датчика. Исходя из этого, был предложен цифровой измеритель емкости с расширенными функциональными возможностями.

Результаты исследований, разработанные конструктивные решения и метод совершенствования емкостных датчиков уровня расширили научно-техническую базу проектирования емкостных датчиков уровня, что позволяет создавать емкостные датчики уровня с улучшенными техническими характеристиками.

Для решения поставленных задач использовались емкостный метод измерения уровня диэлектрических жидкостей и теория электромагнитного поля. При анализе свойств емкостных датчиков уровня использовались методы решения дифференциальных уравнений и уравнений Лапласа, метод конформных преобразований. Для анализа характеристик емкостных датчиков уровня были использованы также методы математического моделирования, физические эксперименты на макетах и опытных образцах.

Результаты исследований используются в промышленности, а также в учебном процессе в Черкасском государственном технологическом университете.

Ключевые слова: уровнемер, емкостный датчик, передаточная характеристика, чувствительность.

SUMMARY

Bazilo K.V. Improvement of technical descriptions of capacity sensors of level. - Manuscript.

The thesis on gaining the scientific degree of candidate of engineering sciences on a specialty 05.13.05. - Computer systems and components. Cherkassy state technological university, Cherkassy, 2009.

Dissertation work "Improvement of technical descriptions of capacity sensors of level" is devoted to the questions of subsequent improvement of components for the computer systems, in particular, capacity sensors of level.

In this work models of capacity sensors of level are built and investigated, and also transmission functions and static descriptions of polyelectrode cylinder capacity sensors of level with superficial and radial electrodes and double-electrode capacity sensors of level with perpendicular disk and cylinder electrodes are got and investigated. Analytical expressions are got for the calculation of initial capacity and sensitiveness of the developed capacity sensors of level. The method of planning of capacity sensors of level which is characterized variation of form and spatial location of electrodes of capacity sensor is, in addition, offered, that allows to extend the technical base of planning of capacity sensors of level, to improve technical descriptions of capacity sensors of level and design the capacity sensors of level with necessary technical descriptions.

Keywords: measuring device of level, capacity sensor, transmission description, sensitiveness.

Размещено на Allbest.ru

...