Емкостный первичный преобразователь диаметра проволоки Советский патент 1989 года по МПК G01B7/12 

(. 1

Изобретение относится к измери- тельной технике и мокнет быть использовано для измерения диаметра прово локи в устройствах для приемочного контроля диаметра проволоки, не имеющей постоянного заземления.

Целью изобретения является повышение точности емкостного преобразователя диаметра за счет уменьшения по- грешности от нелинейности статической характеристики преобразования.

На фиг,1 изображена конструкция первичного емкостного преобразователя диаметра проволоки; на фиг.2 и 3 то же, в поперечном сечении с изображением картины электрического поля при контроле проволоки с круглым и тонким прямоугольным сечением соответственно; на фиг. - измерительная схема для включения емкостного преобразователя, .вариант.

Емкостный первичный преобразователь содержит заземленный металлический экран 1 прямоугольного сечения, на одной из внутренних граней которого закреплен низкопотенциальный электрод, выполненный в виде металлической пластины 2, которая отделена от экрана слоем диэлектрика 3- На противолежащую низкопотенциальному электроду внутреннюю грань экрана 1 нанесено полупроводниковое покрытие k, возле которого размещен высокопотенциальный электрод, функции которого выполняет измеряемая проволока 5. Она размещается на одинаковых рас стояних от краев пластин 2, а также от углов экрана, ограничивающих эту грань. Высокопотенциальный электрод преобразователя подключен к выводу плечевой обмотки трансформатора 6, образующего два плеча уравновешенного трансформаторного моста, питаемого от источника 7 и содержащего в другом плече эталонный конденсатор 8 переменной емкости, с помощью которого осуществляется балансировка мостовой схемы измерения. В выходную диагональ этой схемы включен индикатор 9 нуля.

Преобразователь работает следую- и1им образом.

При введении проволоки 5 в первичный преобразователь происходит разбаланс моста. Конденсатором 8 переменной емкости мост балансируется, и по шкале, отградуированной в едини

j о

5

цах измеряемой величины, определяют диаметр проволоки.

В данной схеме измерения паразитные емкости шунтированы трансформатором 6 или индикатором 9 и не влияют на точность измерения.

Для измерения емкости первичного преобразователя можно использовать также любой другой автоматический мост, измеряющий емкости трехэлект- родных конденсаторов и имеющий соответствующие диапазоны измерения и точность.

Поскольку разность длин экрана 1 и пластины 2 в направлении оси проволоки в несколько раз превышает высоту экрана, а толщина пластины 2 и проволоки 5 мала, то поле в первичном преобразователе можно считать плоскопараллельным (фиг.2 и 3). При этом емкость С первичного преобразователя (на единицу длины) при услоd В ВИИ, что - «1, а - 1, а также без

учета сопротивления покрытия, определяется по приближенной формуле

(О

где d - диаметр проволоки;

h - расстояние между центром

проволоки и поверхностью низ- копотенциальиого электрода; В - ширина пластины низкопотенциального электрода; - диэлектрическая проницаемость, среды между электродами первичного преобразователя. Как видно из (1), статическая характеристика преобразовакйя практически линейна., и при d/h 0,1 и B/h относительная погрешность измерения емкости не превышает 1,3%.

45

ud Предельная погрещность -г ,

свя0

5

занная с нелинейностью статической характеристики первичного преобразования, определяется выражением

d д d d - ьГ .

т.е. имеет второй порядок малости. Для пояснения физических основ линейности статической характеристики первичного преобразователя с по-v лупроводниковым покрытием меняют между собой потенциалы на пластине 2 и проволоке 5. При этом емкость С первичного преобразователя не изменяется. Тогда при малом диаметре проволоки 5 и достаточно большой ширине В пластины электростатическое поле в первичном преобразователе (фиг.2) близко к однородному с незначительной деформацией его только в области, непосредственно примыкающей к измеряемой проволоке, так как электрическое поле проникает в тело покрытия. Поэтому увеличение диаметра d измеряемой проволоки 5 приводит к пропорциональному увеличению потока вектора электрического смещения,замыкающегося на проволо- ку, и следовательно к пропорциональному повышению емкости С преобразователя.

Указанный эффект особенно наглядно проявляется для проволоки, имеюще прямоугольное сечение с малой толики- ной. В этом случае электростатическо поле в первичном преобразователе (фиг.З) пр(актически однородное, и емкость С определяется как ем- кость плоского конденсатора, т.е. характеризуется линейной зависимостью от ширины проволоки.

Относительная погрешность ud/d певичного преобразователя, связанная с

л

диэлектрической прониизменением -Сцаемости окружающей среды, определяется выражением dd d

Т т

т.е. указанная погрешность преобразования, в данном первичном преобразова. 4h теле в In-- раза меньше, чем в изd

вестном. Если, например, - 0,025,

то эффект повышения точности преобразования увеличивается более, чем в

5 раз.

1 В случае размещения измеряемой проволоки 5 непосредственно на экране 1 сопротивление между проволокой и экраном близко к нулю, что требует от источника 7 питания с мощностью, стремящейся к бесконечности. Размещение проволоки 5 вблизи экрана 1 с изоляцией от последнего любым способом практически не дает эффекта из-з неоднородности поля.и, как следствие логарифмической зависимости емкости от диаметра проволоки. Поэтому введение полупроводникового покрытия, сохраняя практически однородность по

Q isля в первичном преобразователе (линейную зависимость емкости от диаметра проволоки), обеспечивает повышение сопротивления нагрузки источника и соответственно уменьшение потребляемой мощности.

Наличие полупроводникового покрытия вносит незначительную погрешность преобразования, так как действующая емкость Ся первичного преобразователя при последовательном соединении емкости С первичного преобразователя и активного сопротивления R полупроводникового покрытия между проволокой и экраном на частоте f питающего напряжения определяется по формуле

С (2iffCRF

ud

9 1

а погрешность преобразования , свя- конечным значением R, равна (2irfCR)2.

занная

-/«

Полупроводниковое покрытие следует выполнять из материалов, имеющих высокую твердость и износостойкость, например из бора.

Если выбрать толщину покрытия из бора, равной 50 мкм, то при d 0,5 мм, h 20 мм, длине пластины 2, равной 5 см, f 100 кГц значения

С 0,035 пФ, R 0,005%.

100 кОм,

ud а -

Таким образом, выбором материала покрытия и частоты питающего напряжения всегда можно свести к пренебрежимо малому значению погрешность первичного преобразователя, обусловленную полупроводниковым покрытием, и вместе с тем значительно уменьшить нагрузку на источник питания.

Таким образом, емкостный первичный преобразователь данного типа имеет большую точность преобразования (при d/h 0,025 более, чем в Ь раз) за счет уменьшения погрешности, связанной с изменением диэлектрической проницаемости окружающей среды, и более чем на порядок меньшую погрешность преобразования от нелинейности статической характеристики первичного преобразователя.

е т е н и я

Формула изобр

Емкостный первичный преобразователь диаметра проволоки, содержащий

металлический экран прямоугольного сечения, закрепленный на одной из его внутренних граней низкопотенциальный электр9Д в виде пластины, отделенной от экрана слоем диэлектрика, и высокопотенциальный электрод, размещенный возле противолежащей внутренней грани экрана на одинаковых расстояниях от краев пластины, а также от углов экрана, ограничивающего эту грань, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, на противолежащую внутреннюю грань экрана нанесено полупроводниковое покрытие.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения диаметра проволоки с помощью емкостного преобразователя, содержащего металлический заземленный экран 1 прямоугольного сечения, внутри которого параллельно одной из граней размещен низкопотенциальный электрод 2 в виде пластины, отделенной от экрана слоем диэлектрика 3. На одинаковом расстоянии от краев и углов экрана, ограничивающих его противоположную грань, помещен высокопотенциальный электрод - измеряемая проволока 5, изолированная от этой грани нанесенным на нее полупроводниковым покрытием 4. Покрытие является проницаемым для электрического поля, что обеспечивает более высокую его равномерность и, как следствие, уменьшение нелинейности характеристики преобразования. 4 ил.

/ / / /

/

Puf.2

/

fpuf,:}

9uf.f