Емкостные ПИП диэлькометров

Диэлькометрический метод основан на взаимодействии электромагнитного поля с веществом, находящимся между электродами емкостного датчика. Диэлькометрию применяют при контроле и измерении концентрации вещества, влажности, плотности, сплошности среды, степени отверждения полимерных материалов и т. п.

В простейшем случае ПИП диэлькометра представляет собой два электрода, в электрическом поле которых размещён контролируемый материал. В общем случае свойства этого ПИП зависят как от размеров, конфигурации и взаимного расположения электродов, так и от формы, свойств контролируемого материала и его расположения по отношению к электродам. Наиболее часто используют преобразователи, состоящие из одинаковых плоских электродов круглой или прямоугольной формы, между которыми плотно зажат образец материала. Такая конструкция преобразователя позволяет минимизировать число факторов, влияющих на свойства ПИП.

Емкостные датчики диэлькомстров классифицируют следующим образом:

• — по принципу действия — с изменяющимся зазором, с изменяющейся площадью поверхности электродов и с изменяющимися диэлектрическими свойствами;
• — по способу размещения материала в датчике — погружные, проточные, накладные и насыпные;
• — по наличию контакта с измеряемой средой — контактные и бесконтактные;
• — по виду выходного сигнала с датчика — непрерывные и дискретные.

Перечисленные типы датчиков могут быть реализованы с помощью датчиков с внутренним (сосредоточенным) и внешним (рассеянным) полем.

Некоторые емкостные ПИП диэлькомстров с внутренними полями показаны на рис. 3.1, а с внешними — на рис. 3.2.

В преобразователях с внутренним полем основная часть электрического поля заключена в объёме, ограниченном электродами.

Емкостные преобразователи с внешним полем в общем случае представляют собой изолированную подложку, на которую нанесены электроды.

Рис. 3.1. Емкостные ПИП с внутренним полем: а — плоский с прямоугольными электродами; б — плоский с круглыми электродами; в — с цилиндрическими электродами.

Рис. 3.2. Емкостные ПИП с внешним полем: а — плоский с кольцевыми электродами; б — плоский с электродами в виде меандра; в — с цилиндрическими электродами Для исследования сыпучих материалов применяют датчики с внутренним (рис. 3.1, в) и внешним (3.2, в) полем. При этом обычно датчики снабжены устройствами, обеспечивающими постоянную плотность засыпки материала. При контроле сыпучих материалов необходимо, чтобы зазор между электродами был не менее чем в пять раз больше среднего диаметра частицы, иначе гранулометрический состав пробы начинает сильно влиять на результаты измерений. Датчики подобной конструкции применяют для контроля состава и свойств вещества в потоке.

Для контроля твёрдых и листовых материалов применяют датчики внутреннего поля (рис. 3.1, а, б) и накладные датчики внешнего поля (рис. 3.2, а, б).

Для исследования жидкостей чаще применяют датчики, изображённые на рис. 3.1, в и 3.2, в.

Для обеспечения одинакового напряжения во всех точках электрода необходимо выполнять условие квазистационарности, которое состоит в том, чтобы максимальный размер электрода D_max был бы не более одной десятой длины волны в контролируемом материале.

Как известно, ёмкость плоского конденсатора С (рис. 3.1, а) равна.

где S — площадь электродов; h — расстояние между электродами.

В соответствии с формулой (3.12) ёмкость плоского конденсатора зависит от площади электродов, расстояния между ними и ДП, следовательно, все эти величины можно измерять. Измерение емкостным методом толщины материала, влажности вещества, уровня жидкости были приведены в первой части учебника. Если электроды расположены близко друг к другу (h «D_max), то ёмкость ПИП находится по формуле (3.12). В противном случае необходимо учитывать краевой эффект, тогда ёмкость датчика будет равна.

где С_к — краевая ёмкость.

Для электродов произвольной формы, если h « Vs, краевую емкость приближённо можно определить так.

где /1 — периметр электрода.

В п. 2.2 были рассмотрены эквивалентные схемы кондуктометрических ячеек. Простейшим электрическим аналогом емкостного датчика с находящимся между его электродами веществом является схема, состоящая из последовательно соединённых Ли С (рис. 3.3, а). Такая эквивалентная схема, конечно, не даёт объяснения механизму диэлектрических потерь, но удобна и введена только условно.

Рис. 3.3. Эквивалентная электрическая схема емкостной ячейки (а) и её векторная диаграмма (б).

При питании этого датчика переменным синусоидальным напряжением U ток / через него равен где U — напряжение питания частотой со.

Для плоского конденсатора без учёта межэлектродных процессов, а также сопротивления и ёмкости подводящих проводов можно записать.

где Е — напряжённость электрического поля; С₀ — ёмкость датчика в вакууме.

Уравнения (3.16) — (3.18) можно использовать для расчёта по измеренным значениям ёмкости С и проводимости G таких диэлектрических параметров вещества, как е', г." и tg<5.

Электроды емкостного датчика изготавливают из материала, устойчивого к химическому воздействия и механическому истиранию. Во многих случаях для промышленного контроля используют стальные или латунные электроды с различными покрытиями. Покрытие электродов плёнками из благородных металлов уменьшает микронеровности и тем самым увеличивает ёмкость Г1ИГ1, предотвращает появление окисных плёнок, что уменьшает сопротивление поверхности электрода и увеличивает его коррозионную стойкость.

В отдельных случаях для лучшего прилегания контролируемой поверхности электрод может быть выполнен из эластичного материала, например, проводящей резины, или в виде густой металлической щётки.

При выборе материала изолятора между электродами обычно руководствуются следующими соображениями. ДП и потери изолятора должны быть небольшими с тем, чтобы паразитный импеданс преобразователя был мал. Для стабилизации электрических свойств преобразователя необходимо, чтобы материал изолятора обладал малым коэффициентом линейного расширения и малым температурным коэффициентом ДП. Выполнению этих требований способствует малая подверженность старению, небольшая способность к адсорбции различных веществ и стойкость к химическому воздействию. В гой или иной степени предъявляемым требованиям удовлетворяют стекло, кварц, ситалл, керамика, стеклопластики.

Конструкция емкостного ПИП диэлькометра должна обеспечить лёгкость сборки и разборки, возможность очистки электродов, заполнение датчика без нарушения относительного положения электродов, небольшой объём исследуемого вещества.