Способ определения электрической емкости емкостного датчика

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях жидких и газообразных веществ (измерения состава, диэлектрических параметров, влажности и т.п.), при измерении геометрических констант измерительных ячеек (преобразователей) кондуктометров, диэлькометров, измерителей влажности, статических зондов для исследования плазмы. Цель изобретения - повышение точности определения электрической емкости емкостного датчика. Способ состоит в том, что заполняют датчик калиброванной жидкостью с известной удельной электропроводностью, размещают датчик в жидкости так, чтобы расстояние между любой поверхностью датчика и ближайшей к этой поверхности границей жидкости было равно двум и более расстояниям между электродами в датчике, измеряют активное сопротивление R₁ жидкости между электродами датчика, вводят в межэлектродное пространство датчика до полного заполнения этого пространства твердый диэлектрик с малыми потерями, повторно измеряют активное сопротивление жидкости R₂ между электродами датчика и по формулам определяют межэлектродную C_o, краевую C_кр и полную C емкости емкостного датчика. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению неэлектрических величин электрическими методами, и может быть использовано при исследованиях жидких и газообразных веществ (измерения состава, диэлектрических параметров, влажности и т.п.), при измерениях геометрических констант измерительных ячеек (преобразователей) кондуктометров, диэлькометров, измерителей влажности, статических зондов для исследования плазмы. Известен способ измерения электрической емкости конденсаторов, включающий подачу на конденсатор переменного напряжения, измерение тока I в цепи конденсатора и падения напряжения U на нем и определение эффективной емкости С_эф конденсатора по формуле С_эф = I/2 πfU , (1) где f - заданная рабочая частота, Гц. Известное устройство для осуществления способа содержит генератор переменного напряжения, первый вольтметр, включенный параллельно выходу генератора переменного напряжения, первый образцовый резистор R₁, подсоединенный к первому полюсу выхода генератора переменного напряжения, измеряемый конденсатор в металлическом экране, первая обкладка которого подключена к первому образцовому резистору R₁, а вторая обкладка - к второму полюсу выхода генератора переменного напряжения, второй вольтметр, подсоединенный к обкладкам измеряемого конденсатора, и второй образцовый резистор R₁, подключенный к второму полюсу выхода генератора переменного напряжения. При этом первая сторона металлического экрана со стороны второй обкладки конденсатора подключена непосредственно к первому полюсу выхода генератора переменного напряжения, а противоположная сторона экрана - к второму измерительному резистору R₂. Измерения электрической емкости производят следующим образом. Подают на конденсатор от генератора переменное напряжение частотой f, например f = 100 кГц. Измеряют это напряжение U_г на выходе генератора переменного напряжения первым вольтметром. Измеряют величину напряжения U_к на обкладках измеряемого конденсатора вторым вольтметром. Определяют ток I через конденсатор по формуле I = (U_г - U_к)/R₁ , (2) где R₁ - заданная величина первого образцового резистора, Ом. Определяют эффективную емкость С_эф по формуле (1). Недостатком способа является тот факт, что по формуле (1) определяют суммарную эффективную емкость C_Σ , которая равна C_Σ= С_о + С_кр + С_м, где С_о - межэлектродная (проходная) емкость конденсатора; С_кр - краевая (паразитная) емкость, обусловленная полями расстояния на краях электродов конденсатора; С_м - монтажная (паразитная) емкость, обусловленная как емкостью каждого электрода на общую шину, так и соответствующей емкостью проводников, соединяющих обкладки конденсатора с генератором переменного напряжения и вольтметрами. Аналог не дает возможности разделить эти емкости и определить отдельно каждую из них, хотя в целом ряде случаев, например при исследованиях плазмы, знание отдельно каждой емкости необходимо. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ определения рабочей емкости емкостного датчика, включающий заполнение рабочего участка емкостного датчика калибровочным веществом, измерение емкости С₁емкостного датчика любым известным способом, например способом вольтметра-амперметра, расчет рабочей емкости С₀₁ этого участка датчика, заполнение емкостного датчика полностью калибровочным веществом, измерение емкости С₂ датчика с веществом любым известным способом и определение рабочей емкости С₀ датчика по формуле С₀ = С₀₁˙С₂/С₁. (3) Известное устройство для осуществления этого способа содержит измеритель электрической емкости, например Е7-11, емкостной датчик в виде двух плоских электродов, расположенных компланарно, длиной l, подключенных к измерительным клеммам измерителя емкости, и калибровочное вещество в виде двух плоских диэлектрических пластин из одного и того же твердого диэлектрика длиной l₁ и l₂, причем l₁<l<l, и шириной, большей ширины электродов емкостного датчика. Определение рабочей емкости емкостного датчика известным способом производят так. Накладывают на электроды датчика первую диэлектрическую пластину длиной l₁ так, чтобы она закрыла рабочий участок емкостного датчика. Подают напряжение на электроды от измерителя емкости и измеряют емкость С₁ этого участка датчика с наложенной пластиной. Рассчитывают рабочую емкость С₀₁ этого участка датчика. Снимают первую пластину и накладывают на электроды вторую диэлектрическую пластину длиной l₂ так, чтобы она закрыла полностью всю поверхность датчика. Измеряют емкость С₂ датчика со второй наложенной пластиной. Определяют полную рабочую емкость С₀емкостного датчика по формуле (3). Прототип частично устраняет недостаток аналога и позволяет кроме суммарной емкости С определить полную рабочую емкость датчика С₀ и частично учесть краевую емкость С_кр, связанную с краевыми эффектами рассеяния электрического поля краями электродов, только для плоских электродов, расположенных в одной плоскости (компланарно). Однако прототип имеет и недостатки. Во-первых, поскольку калибровочные диэлектрические пластины накладываются только с одной стороны плоских электродов датчика, то учитывается краевая емкость только с одной стороны плоских электродов, т. е. частично, в то время как поле рассеивания (а значит и краевая емкость С_кр) существует и с другой стороны плоских электродов, к которой диэлектрические пластины не прикладываются. Более того, остается неизвестным перераспределение поля рассеяния электродов в случае наложения диэлектрических пластин только с одной стороны. Поэтому действительная краевая емкость электродов больше той емкости, которая измеряется прототипом, а следовательно, рабочая емкость С₀ емкостного датчика определяется с какой-то ошибкой, которую нельзя определить, т.к. неизвестно перераспределение поля рассеяния электродов при наложении пластин только на одну стoрону датчика. Во-вторых, в прототипе в составе суммарной емкости C_Σ измеряется и монтажная емкость С_м, включающая в себя как емкость электродов датчика и соединительных проводников на общую шину, так и собственную емкость соединительных проводников измерительной схемы. Эта емкость неизвестна, трудно определяется и не участвует в измерениях при исследовании веществ. Обычно монтажная емкость С_м достигает такой же величины, как и рабочая емкость С₀ емкостного датчика, если размеры последнего невелики. Включение этой емкости в состав рабочей емкости С₀ емкостного датчика может привести к ошибкам измерения при исследовании веществ до 100% и более, при этом эта ошибка остается неизвестной. В-третьих, рабочая емкость датчика С₀ определяется через отношение емкостей С₂/С₁. Поскольку любой диэлектрик является мерой электрической емкости пространства, измеряемые емкости С₁ и С₂ суть функции этого диэлектрика - его диэлектрической проницаемости ε и геометрических размеров (длины, ширины, толщины). Следовательно, и отношение С₂/С₁, и рабочая емкость С₀ зависят от геометрических размеров и диэлектрических параметров диэлектрика, используемого в качестве калибровочного вещества, хотя элементарная логика говорит о том, что рабочая емкость С₀есть имманентная характеристика датчика и никак не зависит от калибровочного вещества и его параметров, поскольку калибровочное вещество нe входит в конструкцию датчика. Цель изобретения - повышение точности измерения. Эта цель достигается тем, что в способе определения электрической емкости емкостного датчика, включающем заполнение датчика калибровочным веществом и определение электрической емкости расчетным путем, в качестве калибровочного вещества используют жидкость с известной удельной электропроводностью, размещают датчик в жидкости так, чтобы расстояниe между любой поверхностью датчика и ближайшей к этой поверхности границей жидкости было равно двум и более расстояниям между электродами в датчике, измеряют активное сопротивление жидкости R₁ между электродами датчика, вводят в межэлектродное пространство датчика до полного заполнения этого пространства твердый диэлектрик с малыми потерями и осуществляют повторное измерение активного сопротивления жидкости R₂ между электродами датчика, а величины межэлектродной С₀, краевой С_кр и полной С емкостей емкостного датчика определяют по формулам C_o= (4) C_кр= (5)
С = С₀ + С_кр , (6) где ε_o- электрическая постоянная, ε_o=8,84˙10^-12 Ф/м;
σ_o - заданная удельная электропроводность калибровочной жидкости, см/м;
R₁ и R₂ - измеренные активные сопротивления жидкости между электродами датчика, Ом. На чертеже приведена блок-схема устройства для определения электрической емкости датчика по предлагаемому способу. Устройство содержит генератор импульсов (ГИ) 1, измерительный резистор 2, подключенный к выходу ГИ 1, емкостной датчик 3, состоящий из двух электродов, первый из которых подключен к измерительному резистору 2, управляемый ключ 4, к первому и второму входам которого подключены соответственно выход ГИ 1 и точка соединения измерительного резистора 2 и первого электрода емкостного датчика 3, регистратор 5, к входу которого подключен выход управляемого ключа 4, синхронизатор 6, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющему входу управляемого ключа 4, входу синхронизации регистратора 5 и запускающему входу ГИ 1, и общую шину 7, к которой подключены второй электрод емкостного датчика 3 и корпуса ГИ 1, управляемого ключа 4, регистратоpа 5 и синхронизатора 6. Определение электрических емкостей емкостного датчика устройством производят так. Размещают электроды емкостного датчика 3 в жидкости соответствующим образом. Первым импульсом синхронизации синхронизатора 6 с первого выхода подключают через управляемый ключ 4 выход ГИ 1 к входу регистратора 5, с второго выхода запускают регистратор 5, с третьего выхода ГИ 1. Регистрируют выходной импульс ГИ 1 и измеряют его амплитуду U_г1. Вторым импульсом синхронизатора 6 с первого выхода подключают через управляемый ключ 4 первый электрод емкостного датчика 3 к входу регистратора 5, с второго выхода запускают регистратор 5, с третьего выхода - ГИ 1. Регистрируют напряжение импульса на первом электроде емкостного датчика 3 и измеряют его амплитуду U₁. Вводят в межэлектродное пространство емкостного датчика 3 твердый диэлектрик с малыми потерями до полного заполнения этого пространства. Третьим импульсом синхронизации синхронизатора 6 с первого выхода подключают через управляемый ключ 4 выход ГИ 1 к входу регистратора 5, с второго выхода запускают регистратор 5, с третьего выхода - ГИ 1. Регистрируют выходной импульс и измеряют его амплитуду U_г2. Четвертым импульсом синхронизации синхронизатора 6 с первого выхода подключают через управляемый ключ 4 первый электрод емкостного датчика 3 к входу регистратора 5, с второго выхода запускают регистратор 5, с третьего выхода - ГИ 1. Регистрируют напряжение импульса на первом электроде емкостного датчика 3 и измеряют его амплитуду U₂. Определяют активные сопротивления жидкости R₁ и R₂ по формулам
R₁= (7)
R₂= (8) где R_и - заданная величина сопротивления измерительного резистора 2, Ом. Достигнутый положительный эффект - повышение точности определения в два и более раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА, включающий заполнение датчика калибровочным веществом и определение электрической емкости расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, в качестве калибровочного вещества используют жидкость с известной удельной электропроводимостью, размещают датчик в жидкости так, чтобы расстояние между любой поверхностью датчика и ближайшей к этой поверхности границей жидкости было равно двум и более расстояниям между электродами в датчике, измеряют активное сопротивление жидкости R₁ между электродами датчика, вводят в межэлектродное пространство датчика до полного заполнения этого пространства твердый диэлектрик с малыми потерями и осуществляют повторное измерение активного сопротивления жидкости R₂ между электродами датчика, а величины межэлектродной C₀, краевой C_кр и полной C емкостей емкостного датчика определяют по формулам


C = C_o+ C_кр ,
где ε_o - электрическая постоянная;
σ_o - заданная удельная электропроводность калибровочной жидкости, см/м;
R₁ и R₂ - измеренные активные сопротивления жидкости между электродами датчика, Ом.

РИСУНКИ

Рисунок 1