Изучение свойств емкостного уровнемера
Министерство
образования и науки Украины
Национальный
технический университет
«Харьковский
политехнический институт»
Кафедра
приборов и методов неразрушающего контроля
Изучение
свойств емкостного уровнемера
Харьков
Цель работы
Целью работы является изучение установки для
определения уровня непроводящих жидкостей на основе использования аналогового
прибора с емкостным преобразователем.
1. Описание структурной схемы емкостного
уровнемера
Рис. Схема емкостного уровнемера
Задающий генератор выполнен на микросхеме Д1.1,
вырабатывает импульсы, которые с помощью формирователя, собранного на
микросхеме ДД1.2, преобразуются в сигнал “меандр”.
Импульсы с помощью коммутатора, который выполнен
на микросхеме ДА3.1, преобразуются в управляющий сигнал. Эти сигналы управляют
коммутатором, который собран на микросхеме ДА1, он же подает на опорный
конденсатор С0 импульсы, формируемые из выходного напряжения Uвых, а на
измерительный конденсатор - импульсы, формируемые из опорного напряжения Uon.
На микросхеме ДА2 выполнен преобразователь
заряда в напряжение, где разность зарядов на конденсаторе С0 и Сх преобразуется
в импульсы напряжения.
В установившемся режиме работы:
+ i2 = 0;
i1 = q1/τ
= Cx·Uon/τ;
i2 = q2/τ
= C0Uвых/τ
где i1 и і2 - токи, протекающие через измеряемую
и опорную емкости Сх и С0;
τ - время заряда
конденсаторов;и q2 - заряды на емкостях Сх и С0.
Импульсы напряжения с выхода преобразователя
заряда ДА2 накапливаются в дискретном интеграторе, выполненном на микросхемах
ДА4 и ДА3.2. Синхронизация работы коммутаторов ДА1 и ДА3.2 обеспечивает
детектирование выходного напряжения преобразователя заряда и его
интегрирование.
На микросхеме ДА5 собран масштабный усилитель,
нагрузкой которого служит измерительный прибор - микроамперметр мА (100 мА).
В схеме, предусмотрены устройства для установки
“нуля” прибора, максимальных показаний измерителя и другие элементы. Схема
содержит также двухполярный стабилизированный источник питания, собранный на
микросхеме ДА6.
. Таблицы данных наблюдений и расчетов
Таблица 1
|
x
|
I1,
мкА
|
I2,
мкА
|
Iср,
мкА
|
N,
мкА/мм
|
Nx,
мкА
|
|
0
|
5,00
|
4,8
|
4,900
|
0
|
0
|
|
0,067
|
8,90
|
12,3
|
10,600
|
0,5300
|
159,000
|
|
0,133
|
14,90
|
16,5
|
15,700
|
0,3925
|
117,750
|
|
0,200
|
21,30
|
23,6
|
22,450
|
0,3742
|
112,250
|
|
0,267
|
27,20
|
29,7
|
28,450
|
0,3556
|
106,688
|
|
0,333
|
32,90
|
35,2
|
34,050
|
0,3405
|
102,150
|
|
0,400
|
39,20
|
41,3
|
0,3354
|
100,625
|
|
0,467
|
44,45
|
47,5
|
45,975
|
0,3284
|
98,518
|
|
0,533
|
50,50
|
52,7
|
51,600
|
0,3225
|
96,750
|
|
0,600
|
55,60
|
59,4
|
57,500
|
0,3194
|
95,833
|
|
0,667
|
60,40
|
65,3
|
62,850
|
0,3143
|
94,275
|
|
0,733
|
66,60
|
71,8
|
69,200
|
0,3145
|
94,364
|
|
0,800
|
73,30
|
77,7
|
75,500
|
0,3146
|
94,375
|
|
0,867
|
79,50
|
83,4
|
81,450
|
0,3133
|
93,981
|
|
0,933
|
84,80
|
89,3
|
87,050
|
0,3109
|
93,268
|
|
1,000
|
91,20
|
91,2
|
91,200
|
0,3040
|
91,200
|
Таблица 3
|
х
|
I,
мкА
|
γI,
%
|
γN,
%
|
C
|
γl*,
%
|
γl,
%
|
|
0
|
4,900
|
10,2041
|
1,0000
|
1
|
0,0000
|
|
0,067
|
10,600
|
4,7170
|
0,6404
|
|
0,0250
|
5,245581
|
|
0,133
|
15,700
|
3,1847
|
0,2148
|
|
0,0125
|
3,524928
|
|
0,200
|
22,450
|
2,2272
|
0,1581
|
|
0,0083
|
2,475695
|
|
0,267
|
28,450
|
1,7575
|
0,1007
|
|
0,0063
|
1,961233
|
|
0,333
|
34,050
|
1,4684
|
0,0539
|
|
0,0050
|
1,646038
|
|
0,400
|
40,250
|
1,2422
|
0,0381
|
|
0,0042
|
1,402067
|
|
0,467
|
45,975
|
1,0875
|
0,0164
|
|
0,0036
|
1,236236
|
|
0,533
|
51,600
|
0,9690
|
0,0019
|
|
0,0031
|
1,110379
|
|
0,600
|
57,500
|
0,8696
|
0,0113
|
|
0,0028
|
1,005931
|
|
0,667
|
62,850
|
0,7955
|
0,0274
|
|
0,0025
|
0,929255
|
|
0,733
|
69,200
|
0,7225
|
0,0265
|
|
0,0023
|
0,854024
|
|
0,800
|
75,500
|
0,6623
|
0,0264
|
0,792669
|
|
0,867
|
81,450
|
0,6139
|
0,0304
|
|
0,0019
|
0,744246
|
|
0,933
|
87,050
|
0,5744
|
0,0378
|
|
0,0018
|
0,705499
|
|
1,000
|
91,200
|
0,5482
|
0,0591
|
|
0,0017
|
0,681708
|
Таблица 2
|
x
|
Sa,
мкА/мм
|
Sax,
мкА
|
Sa
ср, мкА
|
So,
мкА/мм
|
Sox,
мкА
|
So
ср, мкА/мм
|
γSa,
%
|
γSo,
%
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,033
|
0,2850
|
85,500
|
0,2877
|
0,8550
|
0,8550
|
0,8630
|
0,0093
|
0,0093
|
|
0,100
|
0,2550
|
76,500
|
|
0,7650
|
0,7650
|
|
0,1136
|
0,1136
|
|
0,167
|
0,3375
|
101,250
|
|
1,0125
|
1,0125
|
|
0,1732
|
0,1732
|
|
0,233
|
0,3000
|
90,000
|
|
0,9000
|
0,9000
|
|
0,0429
|
0,0429
|
|
0,300
|
0,2800
|
84,000
|
|
0,8400
|
0,8400
|
|
0,0267
|
0,0267
|
|
0,367
|
0,3100
|
93,000
|
|
0,9300
|
|
0,0776
|
0,0776
|
|
0,433
|
0,2863
|
85,875
|
|
0,8588
|
0,8588
|
|
0,0049
|
0,0049
|
|
0,500
|
0,2813
|
84,375
|
|
0,8438
|
0,8438
|
|
0,0223
|
0,0223
|
|
0,567
|
0,2950
|
88,500
|
|
0,8850
|
0,8850
|
|
0,0255
|
0,0255
|
|
0,633
|
0,2675
|
80,250
|
|
0,8025
|
0,8025
|
|
0,0701
|
0,0701
|
|
0,700
|
0,3175
|
95,250
|
|
0,9525
|
0,9525
|
|
0,1037
|
0,1037
|
|
0,767
|
0,3150
|
94,500
|
|
0,9450
|
0,9450
|
|
0,0950
|
0,0950
|
|
0,833
|
0,2975
|
89,250
|
|
0,8925
|
0,8925
|
|
0,0342
|
0,0342
|
|
0,900
|
0,2800
|
84,000
|
|
0,8400
|
0,8400
|
|
0,0267
|
0,0267
|
|
0,967
|
0,2075
|
62,250
|
|
0,6225
|
0,6225
|
|
0,2787
|
0,2787
|
. Определение уровня жидкости аналоговым
емкостным измерителем
Описанный емкостной измеритель уровня имеет
линейную функцию преобразования, которая записывается в таком виде:
|
|
(1)
|
где I - ток микроамперметра;- коэффициент,
характеризующий чувствительность прибора;- текущее значение уровня.
режим - режим наполнения объема емкостного
датчика при нулевом начальном уровне.
После этого по заданному преподавателем шагу
(шаг = 20мм) перемещения уровня жидкости снять показания микроамперметра для
фиксированных положений уровней жидкости. Следует иметь ввиду, что в силу
вязкости трансформаторного масла всякий раз при переходе с одного уровня на
другой необходимо выждать определенное время до установления стрелки
микроамперметра в фиксированное положение. Результаты измерений свести в
таблицу 1.
Величины N находят из выражения (1). Значения Nx
определяют по формуле:
|
|
(2)
|
После этого найти средние значения Nср и Nxср и
записать аналитические функции преобразования I=f(l) и I=f(x).
По данным таблицы 1 построить графики функций
преобразования I=f(l) и I=f(x) (рис.1 и рис.2).
. Определение чувствительности измерителя к
изменению уровня
жидкости
Абсолютная чувствительность прибора определяется
по формулам:
|
|
(3)
|
|
|
(4)
|
Относительная чувствительность прибора к
изменению уровня жидкости определяется по формулам:
|
|
(5)
|
|
|
(6)
|
Использую данные таблицы 1 и формулы (3) - (6)
рассчитать значения абсолютных и относительных значений чувствительностей
прибора к изменению уровня жидкости.
Результаты расчетов свести в таблицу 2.
Относительные отклонения 
и
текущих
чувствительностей от средних значений находят по формулам:
|
|
(7)
|
|
|
(8)
|
Величины и
характеризуют нестабильности значений коэффициентов преобразования прибора.
По данным таблицы 2 построить графики
зависимостей:
, 
,
и 
(рис.
3, рис 4, рис. 5, рис. 6)
. Оценка погрешностей измерения уровня жидкости
Формула для оценки погрешностей измерения уровня
жидкости аналоговым прибором с емкостным преобразователем получена при
найденных в эксперименте функциях преобразования по методике расчета
погрешностей косвенных измерений. При этом для указанного режима работы
установки эта формула имеет вид при доверительной вероятности 0,95:
|
|
(9)
|
Для второго режима C=1
|
|
(10)
|
где 
-
приведенная погрешность прибора (класс точности); 
-
максимальное значение шкалы прибора; Imax=100 (мкА)
Относительные погрешности определения параметра
N находятся из выражения
|
|
(11)
|
Величина 
рассчитывается
по формуле:
|
|
(12)
|
где 
-
абсолютная погрешность измерения уровня механическим указателем - стрелкой: =0,5
(мм)
Численные значения погрешностей 
и
принимаются
для всех режимов равным (0,2-0,3)% (т.е. характерным значением погрешностей,
вызванных нестабильностью напряжений).
Результаты расчетов погрешностей измерения
уровня свести в таблицу 3.
По данным таблицы 3 построить графики функций 
и
(рис.
7 и рис. 8)
6. Графики и диаграммы
уравнемер уровень жидкость
погрешность
Выводы
В ходе данной лабораторной работы я изучил
установку для определения уровня непроводящих жидкостей на основе использования
аналогового прибора с емкостным преобразователем.