(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЯ ДО ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ(54) CAPACITY DISTANCE SENSOR TO CONDUCTING SURFACE
1 one
Изобретение относитс к контрольно-изме- рительной технике и может быть использовано ОЛЯ измерени малых зазоров, например, при перемещении одной провод щей поверхности относительно другой в услови х, когда температура , влажность, давление, состав парогазовой или жидкостной среды в зазоре существенно измен ютс .The invention relates to a control and measurement technique and can be used by the OLEA measurements of small gaps, for example, when moving one conductive surface relative to another in conditions when the temperature, humidity, pressure, composition of the vapor gas or liquid medium in the gap changes significantly.
По основному авт. св. № 922498 известен емкостный датчик рассто ни до провод щей поверхности, содержащий электроизолированные один от другого измерительные электроды основной и смещенный относительно него на з; заданное рассто ние второй электрод. Основной электрод размещен на оси датчика, а смещенный выполнен охватывающим основной электрод и симметричным относительно той же оси. Датчик может содержать несколько смещенных в направлении рабочего перемещени на заданные рассто ни измерительных электродов , Образующих ступенчатую поверхность датчика. Основной электрод может быть выполнен -в виде круглого или усеченного по бокам диска, а смещенные электроды - в виде колец или электрически соединенных между собой сегментных участков. Контролируема провод ща поверхность выполн ет функции общего заземленного электрода емкостного датчика. Датчик может быть снабжен одннм или двум охранными электродами 1 .According to the main author. St. No. 922498 is known for a capacitive distance sensor to a conductive surface, which contains measurement electrodes, one that is electrically insulated from one another, and is shifted relative to it by 3; the specified distance is the second electrode. The main electrode is placed on the sensor axis, and the offset is made covering the main electrode and symmetrical about the same axis. The sensor may contain several measuring electrodes that are displaced in the direction of the working movement for a given distance, forming the stepped surface of the sensor. The main electrode can be made in the form of a circular or truncated disk on the sides, and the displaced electrodes in the form of rings or electrically interconnected segment segments. The monitored conductive surface acts as a common grounded electrode of a capacitive sensor. The sensor can be equipped with one or two guard electrodes 1.
Недостатком этого датчика вл етс ступенчатый рельеф его измерительной поверхности, что затрудн ет изготовление его электродов при использовании известных технологических The disadvantage of this sensor is the step-like relief of its measuring surface, which makes it difficult to manufacture its electrodes using known technological methods.
10 методов, например тонкопленочной или толстопленочной технологии, гальванического осаждени , травлени и т.п. так как требует достаточно сложной, многооперационной технологии их изготовлени . Кроме того, наличие в 10 methods, for example thin-film or thick-film technology, galvanic deposition, etching, etc. as it requires a rather complicated, multioperational technology of their manufacture. In addition, the availability of
15 измерительной поверхности углублений с крутыми скатами приводит к нарушению ламинарности потока газа, жидкости или пара в контролируемом зазоре, к накоплению загр знений в виде частиц масла, пыли и т.п. на поверх20 ности измерительных электродов. В результате этого поверхности электродов неодинаково подвергаютс коррозии, на них с различной интенсивностью оседают загр знени и соли. 3100 вследствие чего в течение времени растет погрешность , св занна с изменением емкости да чика и тангенса угла, диэлектрических потерь, а также по вл етс погрешность, обусловленна изменением эквивалентного значени заданного смещени электродов, определ ющего точность датчика. Дл учета этой погрешности необходимо чаще градуировать датчик, что затрудаштельно и дорого, поскольку св зано с остановкой и демонтажом агрегатов, внутри которых уста навливаетс датчик. Указанный дрейф метрологических характеристик датчика и его чувствительности к загр знени м, коррозии снижаю его метрологическую надежность. Цель изобретени - повышение помехозащииденности и упрощение конструкции датчика Указанна цель достигаетс тем, что измерительные электроды датчика размещены на общей поверхности электроизолирующего основани , радиус кривизны которой отличаетс от радиуса кривизны контролируемой поверхности . Кроме того, поверхность электроизолирующего основани может быть выполнена сфери ческой или цилиндрической, а поверхности измерительных электродов и электроизолирующего основани , обращенные к контролируемо провод щей поверхности, покрыты изолирующим защитным слоем, радиус кривизны которого отличаетс от радиуса кривизны электро изолирующего основани . На чертеже схематично представлена конструкщ1 емкостного датчика рассто ни до провод щей поверхности. Емкостный датчик рассто ни до провод щей поверхности, например поверхности 1 вала, вмонтирован в тело провод щей втулки 2, охватывающей вал и отделенной от его поверхности 1 зазором d. Он содержит основной измерительный электрод 3, выполненный симметричным и размещенный на оси 4 датчика на рассто нии Adj от поверхности втулки 2, и охватывающий его второй измерительный электрод 5, размещенный на. рассто нии Adj от поверхности втулки 2, т.е. смещенный относительно первого электрода на фиксированное заданное ра,ссто ние (Adj - Adj). Оба электрода имеют практически одинаковую толщину и нанесены на об щую поверхность электроизолирующего (диэлектрического ) основани 6, поверхность 7которого имеет радиус кривиэны, отличающийс от радиуса кривизны контролируемой провод щей поверхности 1 вала на заданное значение, а также и от радиуса кривизны поверхности 8 втулки 2. Благодар этому кра датчика наход тс заподлицо с поверхностью 8втулки. В зависимости от формы контролируемрй поверхности 1 поверхность 7 злектроизолирующего основани целесообразно выполн ть сферической , если поверхности 1 и 8 плоские, или цилиндрической, если эти поверхности 1 и 8 также цилиндрические (вал и втулка). При последующем нанесении изолирующего защитного покрыти (на чертеже не показано) с другим радиусом кривизны возможно, например путем полировки, скорректировать в некоторых пределах эквивалентное значение заданного смещени (Ad, - Adj), добива сь повтор емости характеристик различных образцов емкостного датчика. Емкостный датчик рассто ни до провод щей поверхности работает следующим образом. При включении датчика в измерительную схему на его измерительных злектродах 3 и 5 формируютс напр жени U, и U2, завис щие от рассто ни между ними и общим электродом, функции которого выполн ет контролируема поверхность 1, т.е. от емкостей Ci и Cj, образованных ими конденсаторовЭти напр жени равны, соответственно . ) Ч шс. 11 - к . K(dtuck г vc (juiB где К - коэффициент пропорциональности; ии - кругова частот; d - измер емый зазор между поверхност ми вала и втулки 2; 6 - абсолютна дизлектрическа проницаемость среды в зазоре; S - площадь электродов. Поскольку значени Adj и Adj известны из предварительной градуировки, то измер емый зазор равен Д- -, , Из зтого выражени следует, что результат измерени не зависит от диэлектрической проницаемости среды в зазоре, а следовательно от ее изменений, что вл етс , обычно, одним из основных источников погрешности емкостных датчиков. Вследствие зтого погрешность измерени данного датчика определ етс в основном, лишь погрешностью задани смещени (Adj - Adj) между измерительными электродами датчика при незначительной погрешности средств измерени напр жени на его злектродах. Величину заданного смещени целесообразно выбирать соизмеримой с минимальным из измер емых рассто ний. Благодар указанному выполнению емкостного датчнка, достаточно просто обеспечить15, the measuring surface of the steep slots leads to disruption of the laminar flow of gas, liquid or steam in a controlled gap, to the accumulation of contaminants in the form of particles of oil, dust, etc. on the surface of the measuring electrodes. As a result, the surfaces of the electrodes are unequally corroded, and contaminants and salts are deposited on them with varying intensity. 3100, as a result of which the error due to a change in the capacitance of the sensor and the tangent of the angle, dielectric loss, and also the error due to a change in the equivalent value of the specified electrode displacement determining the sensor accuracy increases over time. To take this error into account, it is necessary to calibrate the sensor more often, which is difficult and expensive because it is associated with stopping and dismounting the units inside which the sensor is installed. The indicated drift of the metrological characteristics of the sensor and its sensitivity to contamination and corrosion reduces its metrological reliability. The purpose of the invention is to increase noise immunity and simplify the design of the sensor. This goal is achieved by the fact that the measuring electrodes of the sensor are placed on a common surface of an electrically insulating base, the radius of curvature of which is different from the radius of curvature of the surface being monitored. In addition, the surface of the electrically insulating base can be made spherical or cylindrical, and the surfaces of the measuring electrodes and the electrically insulating base facing the controlled conductive surface are covered with an insulating protective layer whose radius of curvature is different from the radius of curvature of the electrically insulating base. The drawing shows schematically the construction of a capacitive distance sensor to a conductive surface. A capacitive distance sensor to a conductive surface, such as a shaft surface 1, is mounted in the body of a conductive sleeve 2, which surrounds the shaft and is separated from its surface 1 by a gap d. It contains the main measuring electrode 3, made symmetrical and placed on the axis 4 of the sensor at a distance of Adj from the surface of the sleeve 2, and covering its second measuring electrode 5 placed on. distance Adj from the surface of the sleeve 2, i.e. offset from the first electrode by a fixed predetermined ratio, distance (Adj - Adj). Both electrodes have almost the same thickness and are applied to the common surface of an electrically insulating (dielectric) base 6, the surface 7 of which has a curvature radius that differs from the curvature radius of the controlled conductive surface 1 of the shaft by a given value, as well as the radius of curvature of the surface 8 of the sleeve 2. Due to this, the edges of the sensor are flush with the surface of the sleeve 8. Depending on the shape of the controlled surface 1, the surface 7 of the electrically insulating base is advisable to be spherical, if surfaces 1 and 8 are flat, or cylindrical, if these surfaces 1 and 8 are also cylindrical (shaft and sleeve). Upon subsequent application of an insulating protective coating (not shown) with a different radius of curvature, it is possible, for example by polishing, to correct the equivalent value of a given displacement (Ad, - Adj) within certain limits, to achieve repeatability of characteristics of various samples of a capacitive sensor. The capacitive distance sensor to the conductive surface operates as follows. When the sensor is switched on to the measuring circuit, its measuring electrodes 3 and 5 form voltages U, and U2, depending on the distance between them and the common electrode, the functions of which are performed by the controlled surface 1, i.e. from capacitors Ci and Cj, capacitors formed by them. These voltages are equal, respectively. ) H shs. 11 - k. K (dtuck and vc (juiB where K is the proportionality factor; u is the circular frequency; d is the measured gap between the surfaces of the shaft and the sleeve 2; 6 is the absolute dielectric permeability of the medium in the gap; S is the area of the electrodes. Since the values are Adj and Adj are known from the pre-calibration, the measured gap is equal to D-,. From this expression it follows that the measurement result does not depend on the dielectric constant of the medium in the gap, and therefore on its changes, which is usually one of the main sources of capacitive error sensors. sun The consequence of this measurement error is mainly determined only by the bias setting error (Adj - Adj) between the sensor measuring electrodes with a slight error in the voltage measuring devices on its electrodes. It is advisable to choose the value of the specified bias commensurate with the minimum of the measured distances. the specified implementation of the capacitive sensor, it is enough just to provide