Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик (11) 3 002818

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву Н 922498 (22) Зая влено 17.11.81 (21) 3359604/25-28 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51)М. Кл.

G 01 В 7/08

G 01 В 7/14

Гвеуааретвееев комитет (5З) УДК 621.317.39:

:531.71 (088.8) Опубликовано 07 03 83 Бюллетень Рй 9

Дата опубликования описания 07.03 83 ав девам изобретений и еткрытий

f

P. Е. Тайманов, Б. В. Фролов-Багреев и .fP;". Сйа снцкора

<" т .: (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЯ ДО ПРОВОДЯЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к .контрольно-измерительной технике и может быть использовано пля измерения малых зазоров, например, при перемещении одной проводящей поверхности относительно другой в условиях, когда температура, влажность, давление, состав паро газовой или жидкостной среды в зазоре существенно изменяются.

По основному авт. св. Х 922498 известен емкостный датчик расстояния до проводящей

1О поверхности, содержащий электроизолированные один от друтого измерительные электроды— основной и смещенный относительно него на з; заданное расстояние второй электрод. Основной электрод размещен на оси датчика, а смещен15 ный выполнен охватывающим основной электрод и симметричным относительно той же оси. Датчик может содержать несколько смещенных в направлении рабочего перемещения на заданные расстояния измерительных электро- тп дов, ббразующих 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. Контролируемая проводящая поверхность выполняет функции общего заземленного электрода емкостного датчика. Датчик может быть снабжен одним или двумя охранными электродами 11).

Недостатком этого датчика является ступенчатый рельеф его измерительной поверхности, что затрудняет изготовление его электродов при использовании известных технологических методов, например тонкопленочной или толстопленочной технологии, гальванического осаждения, травления и т.п. так как требует достаточно сложной, многооперационной технологии их изготовления. Кроме того, наличие в измерительной поверхности утлублений с крутыми скатами приводит к нарушению ламинарности потока газа, жидкости или пара в контролируемом зазоре, к накоплению загрязнений в виде частиц масла, пыли и т.п. на поверхности измерительных электродов. В результате этого поверхности электродов неодинаково подвергаются коррозии, на них с различной интенсивностью оседают загрязнения и соли, 3 1ОО281 вследствие чего в течение времени растет погрешность, связанная с изменением емкости датчика и тангенса угла, диэлектрических потерь, а также появляется погрешность, обусловленная изменением эквивалентного значения заданного смещения электродов, определяющего точность датчика.

Для учета этой погрешности необходимо чаще градуировать датчик, что затруднительно и дорого, поскольку связано с остановкой 1р и демонтажом агрегатов, внутри которых уста- навливается датчик. Указанный дрейф метро1 логических характеристик датчика и его чувст-. вительности к загрязнениям, коррозии снижают

его метрологическую надежность. 15

Цель изобретения — повышение помехозащищенности и упрощение конструкции датчика.

Указанная цель достигается тем, что измерительные электроды датчика размещены на общей поверхности электроизолирующего основания, радиус кривизны которой отличается от радиуса кривизны контролируемой поверхности.

Кроме того, поверхность электроизолирующего основания может быть выполнена сфери- 5 ческой или цилиндрической, а поверхностиизмерительных электродов и электроизолирующего основания, обращенные к контролируемой проводящей поверхности, покрыты изолирующим защитным слоем, радиус кривизны которого отличается от радиуса кривизны электроизолирующего основания.

На чертеже схематично представлена конструкция емкостного датчика расстояния до проводящей поверхности.

Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности, например поверхности 1 вала, вмонтирован в тело проводящей втулки 2, охватывающей вал и отделенной от

его поверхности 1 зазором d. Он содержит

4О основной измерительный электрод 3, выполненный симметричным и размещенный на оси

4 датчика на расстоянии М, от поверхности втулки 2, и охватывающий его второй измерительный электрод 5, размещенный на, расстоянии Ьд, от поверхности втулки 2, т.е. смещенный относительно первого электрода на фиксированное заданное расстояние (М, — Ьд,). Оба электрода имеют практически одинаковую толщину и нанесены на общую поверхность электроизолирующего (диэлектрического) основания 6, поверхность

7 которого имеет радиус кривизны, отличающийся от радиуса кривизны контролируемой проводящей поверхности 1 вала на заданное значение, а также и от радиуса кривизны поверхности 8 втулки 2. Благодаря этому края датчика находятся заподлицо с поверхностью

8 втулки.

8 4

В зависимости от формы контролируемой поверхности 1 поверхность 7 электроизолирующего основания целесообразно выполнять 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 покрытия (на чертеже не показано) с другим радиусом кривизны возможно, например путем полировки, скорректировать в некоторых пределах эквивалентное значение заданного смещения (Ы, — hd ), добиваясь повторяемости характеристик различных образцов емкостного датчика.

Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности работает следующим образом.

При включении датчика в измерительную схему на его измерительных электродах 3 и

5 формируются напряжения U, и О„зависящие от расстояния между ними и общим электродом, функции которого выполняет контролируемая поверхность 1, т.е. от емкостей

С1 и Ср, образованных ими конденсаторов.

Эти напряжения равны, соответственно к к а.й,.)

1 GING 4UE к K(d+eh

Z ЖСз Ю 6 где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

Ш вЂ” круговая частот;

d — измеряемый зазор между поверхностями вала и втулки 2;

Я вЂ” абсолютная диэлектрическая проницае. мость среды в зазоре;

S — плошадь электродов.

Поскольку значения Ы, и Ы известны из предварительной градуировки, то измеряемый зазор равен

d= =-ьВ

U (Ы -ьй.) и,- -о„

Из этого выражения следует, что результат измерения не зависит от диэлектрической проницаемости среды в зазоре, а следовательно от ее изменений, что является, обычно, одним из основных источников погрешности емкостных датчиков, Вследствие этого погрешность измерения данного датчика определяется в основном, лишь погрешностью задания смещения (Ы вЂ” Мз) между измерительными электродами датчика при незначительной погрешности средств измерения напряжения на его электродах. Величину заданного смешения целесообразно выбирать соизмеримой с минимальным из измеряемых расстояний.

Благодаря указанному выполнению емкостного датчика, достаточно просто обеспечить

5 100281 получение заданного смещения его электродов беэ изготовления изолирующего основания с поверхностью ступенчатой формы.

Вследствие отсутствия углублений с крутыми скатами уменьшается загрязнение углубленных электродов и промежутков между ниьш и охранными электродами при работе, датчика в потоках пара, газа или жидкости, содержащих частицы масла, соли или пыли.

В результате этого повышается технология, 10 его изготовления, так как с помощью одноступенчатого процесса . тонкопленочной или толстопленочной технологии обеспечивается нанесение электродов на различных участках криволинейной поверхности электроизолирую- tS щего основания с последующим нанесением на них защитного покрытия.

Формула изобретения

1. Емкостньш датчик расстояния до проводящей поверхности по авт. св. СССР 1г 922498, отличающийся тем, что, с целью

8 6 повышения помехозащищенности и упрощения конструкции, измерительные электроды датчика размещены на общей поверхности электр изолирующего основания, радиус кривизны которой отличается от радиуса кривизны контролируемой проводящей поверхности.

2. Датчик цо п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что поверхность электроизолирующего основания выполнена сферической.

3. Датчик по п. 1, о т л и ч а ю щ и У с я. тем, что поверхность.электроизолирующего основания выполнена цишшдрической.

4. Датчик по пп. 1-3, о т л н ч а юшийся тем, что поверхности измеритель ных электродов и электроизолирующего оси вания, обращенные к контролируемой пров дящей поверхности, покрыты изолирующим защитным слоем, радиус кривизны которого отличается от радиуса кривизны электроизолирующего основания.

Источники информации, принятые во внимание нри экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР У 922498 кл. G 01 В 7/08, 1978 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 1528/18 Тираж 600 Подписное

Филиал ППП "Патент, r.Óìãîðîä, ул. Проектная, 4