Преобразователь уровня воды в резервуаре

Проектируемым устройством  является емкостной преобразователь  давления.

Разрабатываемый преобразователь  относится к измерительной технике. 
Целью разработки является, измерение уровня воды в резервуаре.

1. Характеристика разрабатываемого преобразователя

Емкостной преобразователь  представляет собой конденсатор, электрические  параметры которого изменяются под  действием входной величины. Конденсатор  состоит из двух электродов, к которым  подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено  диэлектриком. При изменении взаимного  положения электродов или при  изменении диэлектрической проницаемости  среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

2. Основные требования к преобразователю

Достигаемыми с помощью  устройства показателями являются:

1 )диапазон измерений:  от 0,2 до 20 м;

2) погрешность измерений: не более 10%.

Емкостные чувствительные элементы имеют изоляционное покрытие и выполнены  в виде проводов. В качестве изоляции использован фторопласт.

Можно считать, что измеряемый уровень пропорционален емкости преобразователя, что функция преобразования будет линейной. Снятие значений измеряемой величины должно производится с помощью отградуированного устройства с индикацией стрелочного типа.

 

 

 

 

5. Конструкторский раздел
1. Введение

Данный раздел подразумевает рассмотрение необходимых для проектирования схемы устройства физических эффектов, положенных в основу принципа действия преобразователя, и возникающих в процессе работы. Также приводится рассмотрение электрической схемы включения датчика. Приведены расчеты функции преобразования, электрической схемы, погрешностей, допустимых и возникающих в процессе работы. На основе вышеперечисленного делаются выводы о возможностях преобразователя.

2. Принцип действия преобразователя

На рисунке 12 приведена  структурная схема емкостного преобразователя.

 

 

 

 

 

Рисунок 12 – структурная  схема емкостного преобразователя

 

Элемент 1 представляет собой  прибор для измерения электрической  емкости, основанный на методе сравнения  измеряемой величины с образцовой мерой.

Элемент 2 это двухэлектродный  конденсаторный датчик уровня жидкости, выполнен в виде коаксиального конденсатора с цилиндрическими электродами.

Элемент 3 это конденсаторный датчик диэлектрических свойств, выполненный в виде произвольно уложенных проволочных электродов, покрытых изоляцией, межэлектродное пространство которых постоянно заполнено контролируемой жидкостью.

3. Разработка и проектирование конструкции

Конструкция преобразователя  разрабатывалась в соответствии с проведенными расчетами. Которые  включают в себя расчеты функции  преобразования, по заданным исходным данным, характеристик преобразователя  при номинальных размерах и при  размерах элементов, соответствующих  граничным условиям допусков. Также  содержатся расчеты погрешностей, возникающих  во время работы преобразователя.

Принцип действия емкостного уровнемера основан на зависимости емкости специального конденсатора от уровня жидкости в резервуаре:

                                                                                      (5.3.1)

Чувствительный элемент  представляет собой цилиндрический конденсатор с внутренним и наружным электродами и изоляционным слоем. Между наружным электродом и изоляционным слоем находится слой жидкости, уровень  которой необходимо измерить. Если уровень жидкости в резервуаре изменяется, то будет меняться и емкость конденсатора.

1. Расчет функции преобразования

Измерительная часть представляет собой уравновешивающий мост (рисунок 13), образованный емкостями С₁ и С_х (С_х – емкость преобразователя) и сопротивлениями R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ и R.

 

Рисунок 13 – схема емкостного преобразователя

 

Выбранный преобразователь  имеет форму коаксиального конденсатора. Функция преобразования для данного  уровнемера будет иметь вид:

                                               ;                                    (5.3.1.1)

;                                  (5.3.1.2)

,                             (5.3.1.3)

где х – уровень; h – высота преобразователя; - емкость, определяемая краевым эффектом;

;                                    (5.3.1.4)

;                                   (5.3.1.5)

где a и b – габаритные размеры обкладок емкостного преобразователя; , , - диэлектрические постоянные воды, изолятора, воздуха;

                                                    ;                                     (5.3.1.6)

                                                   ,                                      (5.3.1.7)

где , , - радиусы электродов и изолятора.

Подставляя формулы 5.3.1.2 и 5.3.1.3 в формулу 5.3.1.1, получим:

                                    .                            (5.3.1.8)

 

 

Рисунок 14 – график зависимости емкости от измеряемого уровня

2. Расчет чувствительности преобразователя

Расчет чувствительности пьезоэлектрического преобразователя  осуществляется по следующей формуле:

                  (5.3.2.1)

следовательно чувствительность зависит от ширины обкладок емкостного преобразователя и от проницаемости  воды и воздуха.

а=100 мм;

b=130мм;

=80;

=2,3;

=1.

S=64,188.

 

 

Рисунок 15 – график зависимости  чувствительности от ширины обкладок преобразователя

 

3. Расчет погрешности емкостного преобразователя

 

                  ,            (5.3.3.1)

где - суммарная погрешность преобразователя

;

;           (5.3.3.2)

 

;          (5.3.3.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение 

В данном курсовом проекте  был разработан и рассчитан емкостной  преобразователь давления. Полученный в итоге преобразователь отличается относительно высокой чувствительностью, точностью, надежностью в работе и линейными выходными характеристиками.

Полученные результаты расчетов проектирования датчика соответствуют  требованиям, описанным, в задании  на курсовую работу и являются выполненными с точки зрения технического задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

1. Фрайдеи Дж. Современные датчики. Справочник. (Текст) /перевод с англ. Ю.А. Заболотной / под ред. ЕЛ. Свинцова. - М.: Техносфера.2005 - 580 с., ил.
2. Туричин А. М. и др. Электрические измерения неэлектрическихвеличин. | Текст)/ Туричин А. М., Новицкий Г1. В.. Левшина Е. С., - изд. 5-е,перераб. и доп. - Л., «Энергия», 1975 - 576 с., ил.
3. Ногачева Т. И. Методические указания к выполнению курсовоюпроект по дисциплине «Физические основы получения информации» дляспециальности 200101 «Приборостроение» [Текст)/ Ногачева Т. И. - Орел:ОрелГТУ, 2006 - 18 с.
4. Левшина Е. С. Электрические измерения физических величин:учебное пособие для вузов [Текст] / Левшина Е. С., Новицкий П. В.. - Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е, 1983 - 320 с., ил.
5. Осадчий Е. П. и др. Проектирование датчиков для измерениямеханических величин [Текст) / под ред. Е. П. Осадчсго. - М.: Машиностроение, 1979 - 480 с., ил.
6. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машнностроитсля: В 3-хт. Т.1. [Текст) / 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978 - 728 с.
7. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрическихвеличин: Учеб.пособие [Текст] / Атамалян Э. Г. - М.: Высш. школа, 1982 – 223с., ил.
8. Распопов В.Я. Принципы построения датчиков давления итопология тензорезисторов [Текст] / Распопов В.Я. // Датчики и системы, №2 ,2005-с. 14-22.
9. Распопов В.Я. Принципы построения датчиков давления [Текст) /Распопов В.Я. // Датчики и системы, Л«2,2007 - с. 22-26.
10. Зимин В. Н. и др. Микроэлектронные чувствительные элементыдавления [Текст]/ Зимин В. Н., Данилова Н. JI., Панков В. В. // Датчики исистемы, №2. 1999 - с. 55 - 59.
11. Готман П. Е. и др. Электротехнические материалы. Справочник[Текст].
12. Чурабо Д. Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет.Справочное пособие [Текст] / Чурабо Д. Д., изд. 4-е, перераб. и доп. - М.:«Машиностроение». 1975 - 559 с.. ил.