Емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОБУС КЬМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советски и

Социапистическнн

Республик (iii92 2498 (6l ) Дополнительное к авт. свиа-ву— (22)»«J1«o 100778 (21) 2639466/25-28 с присоелинениеи заявки М(23) Приоритет

Опубликовано 230482. Бктллетень рй 15

Дата опубликования описания 230482 (51}M. Кл.

G 02 В 7/08

G 01 В 7/14

9веуднрсткнный комитет

СССР ав делам изобретений и открытий

l (53) УДК 621. 317.

° 39:531.71 (088.8) (72) Авторы изобретения

К. В. Сапожникова и P. Е. Тайманов (7I ) Заявитель (54) ЕИКОСТНОЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЯ

ДО ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения малых перемещений и зазоров между двумя поверхностями при их взаимном перемещении или перемещении одной из них относительно другой (проводящей) поверхности, ст .жной конфигурации, например, между ступенчатым валом и втулкой (в двигателях внутреннего сгорания) между втулкой и вращающимися под углом к втулке лопатками турбины, при измерении параметров эллипсности сечения вала (эксцентриситета) и т.д.

Известны емкостные, индуктивные или индукционные датчики зазора диф1$ ференциального типа, с помощью которых реализуется равное, но противоположное по знаку воздействие влияющих параметров на два одинаковых чувствительных элемента,. сигналы ко. 20 торых вычитаются, благодаря чему некоторые из систематических погрешностей, например, связанные с изменениями напряжения питания и температуры, взаимно компенсируются (2}.

Однако из-за возможного отличия параметров cpeph в зазоре (температуры, состава среды, влажности, давления и т.д ) вблизи каждого чувствительного элемента, временной нестабильности этих параметров, неидеальных окружностей вала и втулки и т.п,, точность таких датчиков оказывается недостаточной при необходимости осу" ществления измерений в условиях значительных изменений параметров парогазовой или жидкостной среды в зазоре, например, в работающих энергоагрегатах.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности, содержащий электроизолированные один от другого измерительные основной и смещенный относительно него на заданное расстояние в

92249

I(К

V = — — =

u С „ж„

3 направлении рабочего перемещения электроды 12 ).

Однако известный датчик имеет плоские электроды и позволяет измерять изменение зазоров лишь между плоскими поверхностями, остающимися при своих рабочих. перемещениях взаимно параллельными, а также его невозможно использовать „ . вследствие недом статочной точности, для измерения О расстояний до проводящей поверхности сложной конфигурации, например криво-линейной, или для измерения расстояния до плоской поверхности, перемещающейся относительно датчика непа- 1 раллельно поверхности его электродов илй под неизвестным случайно изменФющимся углом к направлению рабочего перемещения. Это обусловлено несимметрией конструкции измерительных ю электродов датчика, вследствие которой возникает погрешность измерений, пропорциональная сумме расстояний между центрами проекцией основного и смещенного электродов датчика на проводящую поверхность, до которой расстояние измеряется.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей (обеспечение .измерения расстояний до криволинейной или перемещающейся под углом поверхности).

Укаэанная цель достигается тем, что в емкостном датчике расстояния до проводящей поверхности, содержащем электроизолированные один от дру-З гого измерительйые основной и смещенный относительно него на заданное расстояние в направлении рабочего перемещения электроды, основной электрод расположен на оси симметрии датчика, а смещенный электрод выполнен охватывающим основной электрод и размещен симметрично относительно той же оси.

Кроме того, основной электрод может быть выполнен в виде диска, а смещенный — в виде кольца, или основной электрод выполнен в виде усеченного с двух сторон диска, а смещенный - в виде электрически соединенных в между Собой сегментов. Датчик может быть также снабжен дополнительными, смещенными в направлении рабочего перемещения электродами, размещенными на заданных расстояниях от первого $5 смещенного электрода.

На фиг. 1 представлен емкостный датчик, имеющий основной и два смещен8 4 ных один относительно другого на заданные расстояния d „ и ad соответственно в направлении рабочего пере- . мещения измерительных электродов, общий вид; на фиг. 2 - вариант исполнения датчика с основным электродом в виде диска и смещенными электродами в виде колец, вид сверху; на фиг. 3вариант исполнения датчика с основным электродом в виде усеченного с двух сторон диска и смещенным - в виде электрически соединенных между собой сегментов, вид сверху.

Емкостной датчик расстояний до проводящей поверхности, например поверхности 1 вала, содержит измерительные основной электрод 2 и смещенные относительно него на заданные.расстояния ьд < и ddt электроды 3 и 4. Эти электроды изолированы один от другого диэлектриком 5 и размещены в теле, например, втулки 6. Основной электрод

2 выполнен симметричным и размещен на оси 7 симметрии датчика, а смещенные электроды 3 и 4 охватывают основной электрод 2. Электроды подключены к измерительной схеме (не показано), в которой измеренные сигналы подвергаются соответствующей арифметической обработке. Вал, до поверхности 1 которого измеряется расстояние, является общим электродом.

Датчик работает следующим образом рассмотрен пример работы датчика с двумя электродами - основным и одним смещенным).

Емкости С „ и С между каждым из электродов 2 и 3 датчика и общей проводящей поверхностью 1 зависят от расстояния между ними d u d + h d „ соответственно. В результате напряжения Ч„и Ч, снимаемые с этих электродов (при фиксированном значении частоты питающего напряжения), будут равны где К - коэффициент пропорциональности

W - -круговая частота напряжения питания;

Ь1 и S<" площади каждого из электЬОI дов;

5 92249

- диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между электродами датчика и проводящей поверхностью;

d - измеряемое расстояние;

hd „ — нормированное смещение электродов 2 и 3, известное с погрешностью, не превышающей допустимую погрешность измерения. 1О

К

— ) 1 6Б () К

4) +С

Й+ьВ„+hgg

Ug-Ug

Если площади электродов 2 и 3 одинаковы, то при соответствующей алге.браической обработке измеренных напряжений Ч1и Ч, (вычитании и делении

I5

Vq на полученную разность), измеряемое расстояние d определяется следующим соотношением: (2) го

Если площади электродов не равны, то в формуле (2 ) появится коэффици-, ент пропорциональности, зависящий от соотношения этих площадей. Таким об- 25разом, результат измерения не зависит от диэлектрической проницаемости среды в зазоре» а следовательно и от изменений температуры, влажности, давления и состава среды, которые вли- Зв яют на ее величину.

Искомое расстояние d,äî проводящей поверхности определяется измеренными значениями напряжений (токов или других величин) и известным нормирован- у5 ным смещением дд„, погрешность которого из-за изменений, например температуры, как правило, пренебрежимо ма" ла, вследствие одинаковости материалов, из которых изготовлены электро- 4о ды.

Благодаря тому, что измерительные электроды датчика (основной и смещенный ) расположены симметрично, а .смещенный электрод охватывает основной, причем центры их лежат на оси 7 симметрии датчика, уменьшается влияние изменений угла между направлением рабочего перемещения и проводящей поверхностью, что повышает точность и расширяет функциональные возможности датчика.

Например, если относительные перемещения датчика и проводящей поверхности осуществляются под углом, преимущественно, в одной плоскости целесообразно использование датчика с основным электродом в виде усеченного с двух сторон диска, а смещенным8 6 в виде связанных между собой сегментов (фиг. 3).

При изменении расстояний до проводящей детали, перемещающейся под углом в двух плоскостях, например до вибрирующего вала, основной электрод датчика целесообразно выполнять в виде диска, а смещенный - в виде концентричного кольца (фиг. 2) .

При измерениях в широком диапазоне расстояний.и повышенных требованиях к точйости датчик может быть снабжен дополнительными электродами, смещенными на заданное расстояние от первого смещенного электрода. При использовании второго смещенного на величину дд q электрода 4 может быть исключено влияние паразитной емкости

С подводящих проводов к датчику.

При учете паразитной емкости С напряжения V, V и V3, снимаемые с электродов 2, 3 и 4 соответственно будут равны

Для компенсации погрешности измерений, обусловленной паразитной емкостью Сп, необходимо произвести алгебраическую обработку измеренных сигналов в соответствии с выражением 4), согласно которому измеряемое ! расстояние d будет равно

При учете нелинейности еще более высокого порядка необходимо применить еще один смещенный на- „"d . электрод и т.д. Кольцевые электроды могут быть использованы также в качестве охранных колец для уменьшения влияния краевых эффектов.

Таким образом, емкостный датчик позволяет повысить точность измерений и обеспечить измерение расстояний до криволинейной или перемещающейся под . углом поверхности, т.е. расширяются его функциональные возможности.

Формула изобретения

922498

1. Емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности, содержащий электроизолированные один от другого измерительные основной и смещенный относительно него на заданное расстояние в направлении рабочего перемещения электроды, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше- о ния точности и расширения функциональных возможностей, основной электрод расположен на оси симметрии датчика, а смещенный электрод выполнен охватывающим основной электрод и is размещен симметрично относительно той же оси.

2.Датчик по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что основной электрод выполнен в виде диска, а сме" рв щенный - в виде кольца.

3. Датчик по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что основной электрод выполнен в виде усеченного с двух сторон диска, а смещенный - в виде электрически соединенных между собой сегментов.

4. Датчик по пп. 1, 2 и 3, о тл и ч а ю шийся тем, что он снабжен дополнительными смещенными в направлении. рабочего перемещения электродами, размещенными на заданных расстояниях от первого смещенного электрода .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред.

Б. В. Новицкого. М., "Энергия"., 1975, .с, 42.

2. Авторское свидетельство СССР

М 488979, G ..01 В 7/08, 1974.

922498

Составитель С. Скрыпник

Редактор Л. Гратилло ТехредЕ.баритончик Корректор А. Гринденко

Заказ 2555/52 Тираж 614 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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