Емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности Советский патент 1983 года по МПК G01B7/06 G01B7/14 

(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЯ ДО ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

1

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

По основному авт. св. № 922498 известен емкостный датчик расстояния до проводящей поверхности, содержащий электроизолированные один от другого измерительные электроды основной и смещенный относительно него на з; заданное расстояние 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 перемещения на заданные расстояния 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. Контролируемая проводящая поверхность выполняет функции общего заземленного электрода емкостного датчика. Датчик может быть снабжен одннм или двумя охранными электродами 1 .

Недостатком этого датчика является ступенчатый рельеф его измерительной поверхности, что затрудняет изготовление его электродов при использовании известных технологических

10 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

15 измерительной поверхности углублений 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 поверх20ности измерительных электродов. В результате этого поверхности электродов неодинаково подвергаются коррозии, на них с различной интенсивностью оседают загрязнения и соли. 3100 вследствие чего в течение времени растет погрешность, связанная с изменением емкости да чика 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 затрудаштельно и дорого, поскольку связано с остановкой и демонтажом агрегатов, внутри которых уста навливается датчик. Указанный дрейф метрологических характеристик датчика и его чувствительности к загрязнениям, коррозии снижаю его метрологическую надежность. Цель изобретения - повышение помехозащииденности 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 ческой или цилиндрической, а поверхности измерительных электродов и электроизолирующего основания, обращенные к контролируемо проводящей поверхности, покрыты изолирующим защитным слоем, радиус кривизны которого отличается от радиуса кривизны электро изолирующего основания. На чертеже схематично представлена конструкщ1я 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 основной измерительный электрод 3, выполненный симметричным и размещенный на оси 4 датчика на расстоянии Adj от поверхности втулки 2, и охватывающий его второй измерительный электрод 5, размещенный на. расстоянии Adj от поверхности втулки 2, т.е. смещенный относительно первого электрода на фиксированное заданное ра,сстояние (Adj - Adj). Оба электрода имеют практически одинаковую толщину и нанесены на об щую поверхность электроизолирующего (диэлектрического) основания 6, поверхность 7которого имеет радиус кривиэны, 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 8втулки. В зависимости от формы контролируемрй поверхности 1 поверхность 7 злектроизолирующего 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 (Ad, - Adj), 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 злектродах 3 и 5 формируются напряжения U, и U2, зависящие от расстояния между ними и общим электродом, функции которого выполняет контролируемая поверхность 1, т.е. от емкостей Ci и Cj, образованных ими конденсаторовЭти напряжения равны, соответственно . ) Ч шс. 11 - к . K(dtuck г vc (juiB где К - коэффициент пропорциональности; ии - круговая частот; d - измеряемый зазор между поверхностями вала и втулки 2; 6 - абсолютная дизлектрическая проницаемость среды в зазоре; S - площадь электродов. Поскольку значения Adj и Adj известны из предварительной градуировки, то измеряемый зазор равен Д- -, , Из зтого 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 зтого погрешность измерения данного датчика определяется в основном, лишь погрешностью задания смещения (Adj - Adj) между измерительными электродами датчика при незначительной погрешности средств измерения напряжения на его злектродах. Величину заданного смещения целесообразно выбирать соизмеримой с минимальным из измеряемых расстояний. Благодаря указанному выполнению емкостного датчнка, достаточно просто обеспечить