МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Пензенский государственный технологический университет»
(ПензГТУ)
Факультет промышленных технологий
Кафедра «Технология машиностроения»
Цикл «Автоматизация и управление»
Расчетно-графическая работа.
Емкостные датчики положения, перемещений и уровня
Составил: студент группы 15УА1бп Сенницкий А.А
Принял: Руководитель к.т.н., доцент каф.
ТМС цикла АиУ Прошкин В.Н.
Пенза 2018
Реферат
Пояснительная записка: 17 с., ил. 9, библиогр. 11 назв.
ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК С ПЛОСКИМИ ПЛАСТИНАМИ, НЕУРАВНОВЕШЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРОВ, ЭЛЕКТРОД, МОСТОВОЙ ДАТЧИК, ДАТЧИК ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ, ПЬЕЗОДАТЧИК
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство для преобразования цифрового (обычного двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд)
Датчик - это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.
Датчики положения - линейные устройства, выходные сигналы которых соответствуют расстоянию между объектом и опорной точкой.
Содержание
1. Информационное исследование
1.1 Введение
1.2 Назначение
1.3 Виды емкостных датчиков
2. Руководство по эксплуатации
2.1 Назначение датчиков «СЕНСОР-М»
2.2 Технические характеристики
2.3 Схема датчика избыточного давления
2.4 Схема пьезодатчика разности давлений «СЕНСОР-М-25»
2.5 Схема емкостного датчика разности давлений «СЕНСОР-М-26»
3. Регулировка датчика «Сенсор-М»
3.1 Автоматическая подстройка «нуля»
4. Патентное исследование
4.1 Алгоритм проведения патентных исследований
Список использованной литературы и источников
1. Информационное исследование
1.1 Введение
Датчик - это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующие на них. Это очень широкое определение.
В системах, созданных людьми, в передаче сигналов участвуют электроны. Датчики в таких системах «разговаривают» с устройствами, в которые они встроены, на одном языке. Язык общения здесь - электрические сигналы, в которых информация, передается при помощи электронов, а не ионов. В данной работе рассматриваются датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волокна. Исходя из этого, можно составить другое определение датчика. Датчик - это устройство, воспринимающее внешние воздействие и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Под внешними воздействиями понимается количественная характеристика объекта, его свойство и количество, которое необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал [1].
Назначение датчиков - реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать датчик - это преобразователь физической величины в электрический сигнал. Под этим термином понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных параметров и набором выходных электрических параметров [2].
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика - это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Фактом является то, что передача энергии может протекать в двух направлениях: от объекта к датчику и от датчика к объекту.
Определение положения физических объектов и их перемещений является важной функцией многих автоматизированных систем. Она необходимо практически для всех АСУТП, систем управления транспортными потоками, охранных систем, без нее не может обойтись не один робот. Под определением положения физического объекта понимается нахождения его координат по отношению к заданной точке. Под перемещением объектов подразумевается их передвижение из одного положения в другое, находящееся от первого на определенном расстоянии или под определенным углом [3].
Для обнаружения опасных расстояний между двумя объектами обычно применяются детекторы сближения. Такие детекторы, по существу, являются пороговыми устройствами, реализованными на базе датчиков положения объекта. Датчики положения - линейные устройства, выходные сигналы которых соответствуют расстоянию между объектом и опорной точкой.
Большинство датчиков положения и перемещений являются статистическими устройствами, быстродействие которых, как правило, не сказывается на рабочих характеристиках систем.
1.2 Назначение
Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они могут использоваться как самостоятельно для определения положения и перемещения объектов, так и входить в состав других датчиков, в которых перемещения отдельных элементов вызываются воздействием на них различных сил, давления, температуры и т.д. Поскольку емкостные датчики могут измерять перемещения объектов, изготовленных практически из любых материалов, они применяются повсеместно [4].
Емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
Принцип действия емкостных датчиков основывается либо на изменении геометрии конденсаторов, либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменение емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал. Емкостные датчики могут быть однополярными, дифференциальными или мостовыми [5].
1.3 Виды емкостных датчиков
В примере, показанном на рисунке 1, рассматриваются три пластины одинаковой площади A. Эти пластины формируют два конденсатора С1 и С2. На две крайние пластины подаются синусоидальные сигналы одинаковой амплитуды, но с разностью фаз, равной 180 є. Поскольку оба конденсатора являются одинаковыми, токи через них взаимно уничтожают друг друга, и потенциал центральной пластины практически равен нулю (рисунок 2).
Рисунок 1 Принцип действия емкостного датчика с плоскими пластинами: А - уравновешенное состояние, Б - неуравновешенное состояние
При смещении центральной пластины вниз на расстояние x, емкость конденсаторов C1 и C2 изменится:
(1)
При этом амплитуда сигнала на центральной пластине будет пропорциональна величине перемещения x, а фаза - направлению движения. Амплитуду выходного сигнала можно найти из выражения:
(2)
На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рисунке 3 показана принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект.
Собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3 - МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц. Емкостные датчики приближения очень эффективны при работе с электропроводными объектами, при этом они измеряют емкость между электродом и самим объектом. Емкостные датчики также достаточно хорошо работают и с непроводящими объектами, но при этом их точность несколько ухудшается. Любой объект, попадающий в окрестность электрода, обладает своими собственными диэлектрическими свойствами, которые изменяют емкость между электродом и корпусом датчика, что, в свою очередь, приводит к появлению выходного сигнала, пропорционального расстоянию между объектом и детектором [6].
Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов в однополярном емкостном датчике применяют активное экранирование. При этом экран размещается вокруг нерабочих сторон электрода и на него подается напряжение, равное напряжение на электроде. Поскольку напряжение на экране и электроде имеют одинаковые амплитуды и фазы, между ними нет электрического поля, и все компоненты, расположенные за экраном не оказывают никакого влияния на работу датчика [7].
Рисунок 2 Емкостной датчик с экранирующим кольцом: А - поперечное сечение, Б - внешний вид
Рисунок 3 Емкостной датчик, измеряющий расстояние до объекта с активным экраном вокруг электрода
На рисунке 4 показан линейный мостовой емкостной датчик перемещений, состоящий из двух групп плоских электродов, расположенных параллельно на фиксированном расстоянии d. Для увеличения емкости расстояние между электродами делается достаточно маленьким. Стационарная группа электродов состоит из четырех прямоугольных элементов, а подвижная группа - из двух.
Рисунок 4 Емкостной датчик мостового типа с параллельными пластинами: устройство групп электродов
емкостный датчик пьезодатчик давление
На рисунке 5 показана эквивалентная схема датчика перемещений с конфигурацией емкостного моста.
Рисунок 5 Емкостной датчик мостового типа с параллельными пластинами: эквивалентная схема.
Емкостная мостовая схема обладает всеми достоинствами, присущими любой мостовой схеме: линейностью и высокой помехозащищенностью [2].
2. Руководство по эксплуатации
2.1 Назначение датчиков «СЕНСОР-М»
Датчики «СЕНСОР-М» предназначены для работы в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами с вторичной индикационной, регистрирующей и регулирующей аппаратурой и обеспечивают непрерывное преобразование избыточного давления, вакуума и разности давлений, уровня жидкостей и газов, неагрессивных к материалам контактирующих деталей, в унифицированный электрический сигнал [3].
2.2 Технические характеристики
В таблице 1 указаны технические характеристики датчиков серии «СЕНСОР-М».
Таблица 1
Технические характеристики датчиков серии «СЕНСОР-М».
2.3 Схема датчика избыточного давления
Схема датчика избыточного давления представлена на рисунке 6. Работа датчика основана на разбалансе измерительного резистивного моста при деформации измерительной мембраны сенсора 3 под воздействием давления. Давление подается в полость 1. Разбаланс измерительного моста сенсора 3 преобразуется электронным преобразователем 4 в унифицированный сигнал. Также на плате датчики может быть установлен потенциометр регулировки «нуля», глубина регулировки +/- 2,5 % выходного сигнала [5].
Рисунок 6 Схема датчика избыточного давления
2.4 Схема пьезодатчика разности давлений «СЕНСОР-М-25»
Схема пьезодатчика разности давлений «СЕНСОР-М-25» показана на рисунке 7. Пьезорезистивный сенсор 1 помещен в корпусе модуля 2 и отделен мембранами 4 из нерж. стали от измеряемой среды. Полость корпуса 2 заполнена кремнийорганической жидкостью 3. Корпус измерительного модуля 2 внутри корпуса датчика уплотнен резиновыми кольцами 5. Давление в плюсовой камере воздействует на мембрану 4 и через жидкость 3 вызывает деформацию пьезосенсора 1. Разбаланс моста сенсора по проводам передается в электронный преобразователь. Воздействие рабочим давлением в обе камеры не вызывает деформацию сенсора, т.к. давление на сенсор 1 уравновешено [6].
Рисунок 7 Схема пьезодатчика разности давлений «СЕНСОР-М-25»
2.5 Схема емкостного датчика разности давлений «СЕНСОР-М-26»
Схема емкостного датчика разности давлений «СЕНСОР-М-26» показана на рисунке 8.
Рисунок 8 Схема емкостного датчика разности давлений «СЕНСОР-М-26»
Измерительный блок датчиков состоит из корпуса 1 и емкостной измерительной ячейки 2. Измеряемое давление передается через разделительные мембраны 3 и разделительную жидкость 4 к измерительной мембране 5, расположенной в центре емкостной ячейки. Воздействие давления вызывает изменение положения измерительной мембраны, что приводит к появлению разности емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора 6, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Емкостная ячейка изолирована механически, электрически и термически от измеряемой и окружающей среды. Емкостные датчики обладают высокой точностью и стабильностью [8].
Рисунок 9 Структурная схема датчиков «СЕНСОР-М»
Давление измеряемой среды (Р) воздействует на сенсор давления (СД), запитанный от источника тока (ИТ) и вызывает его разбаланс. Сигнал разбаланса поступает в нормирующий усилитель (НУ) и далее в преобразователь напряжения в ток (ПНТ). Из ПНТ выходит измерительный сигнал, соответствующий давлению (Р). Микропроцессор (МП) получает информацию о текущей температуре (Т) через датчик температуры (ДТ) и текущей величине давления через сенсор давления (СД). Используя данные о температуре и давлении, микропроцессор вычисляет значение поправки для компенсации нелинейности характеристики сенсора и погрешности от воздействия температуры. Через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) поправка складывается с сигналом от нормирующего усилителя (НУ) и корректора «нуля» (Ко). В результате на входе ПНТ получаем линеаризованный и термокомпенсированный сигнал. Для изменения предела измерения и выходного сигнала по командам от персонального компьютера или индикатора по шине Data микропроцессор переключает настройки НУ и таблицы поправок для ЦАП. Управление датчиком c клавиатуры индикатора или по USB [9].