Технопарк Сколково
назад СТАТЬИ

Многоканальный измеритель диэлектрической проницаемости МИ-5   

Как известно, электроемкостной метод неразрушаеющего контроля не получил такого широкого распространения, как другие электромагнитные — вихретоковый и магнитный. Объясняется это двумя причинами — значительная часть ответственных конструкций изготавливается из металлов — здесь емкостной метод малоприменим. Во-вторых, до настоящего времени основные параметры (точность, габариты, быстродействие) приборов для измерения малых (до 1 пФ) емкостей чаще всего не удовлетворяли требованиям для приборов НК. Однако, внедрение неметаллических конструкционных материалов, усложнение технологических задач с одной стороны, а также прогресс измерительной техники с другой, позволяют предположить рост интереса к емкостному методу неразрушающего контроля. Для проведения исследований в этом направлении был создан многоканальный измеритель емкости МИ-5, а так же написан пакет программ, как для моделирования квазистатического поля, так и для обработки результатов измерений.

Измерительный прибор.
Одной из особенностей емкостного контроля, является то, что электрическая емкость датчика (преобразователя) может быть на два порядка меньше ёмкости подводящих кабелей. Строго говоря, все элементы конструкции датчика являются элементами электрической измерительной схемы, что вносит ограничения в выбор топологии последней. Так, по этой причине заведомо неприемлемым оказалась резонансный метод измерения, который требовал бы максимально приблизить опорную индуктивность к измеряемому конденсатору. На сегодняшний день максимальная точность при измерении малых емкостей получена нами при числоимпульсном методе измерения (рис.1). Через измеряемый и опорный конденсаторы пропускаются прямоугольные импульсы противоположной полярности. Количества импульсов выбираются таким, чтоб суммарный заряд, закачиваемый в измерительную схему, равнялся нулю. Тогда отношение емкостей конденсаторов будет равно обратному отношению количеств импульсов. Влияние кабелей подавляется правильно выбранной конфигурацией входного каскада. Как выяснилось, мы получили довольно мощный алгоритм измерения, сочетающий в себе разрешение, не достижимое другими методами, так и вполне приемлемое быстродействие. Кроме того, минимизация участия аналоговых цепей в измерительной схеме позволяет легко масштабировать её, т.е. количество измерительных каналов практически не оказывает влияния на объём системы.
Многоканальный измеритель емкости МИ-5 представляет собой измерительный блок, соединяемый с персональным компьютером через последовательный порт. ПК предназначен для обработки и визуализации результатов измерений. Достигнуты следующие показатели:
— количество измерительных каналов 256
— диапазон измерений (пФ) 0..100
— разрешение (пФ) 0,0001
— максимальное время измерения (сек) 0,2
— габариты прибора (мм) 180х140х65

Параметры прибора позволяют использовать его при решении следующих задач:

Прецизионное измерение уровня жидких (в том числе агрессивных) сред.
В настоящее время наиболее распространённые уровнемеры измеряют положение поплавка, плавающего на границе раздела сред. Очевидный источник погрешности — вариация плотности жидкости. Кроме того, система чувствительна к состоянию поверхности раздела сред. Наличие пены делает результат измерения непредсказуемым. Другой распространённый метод заключается в измерении ёмкости конденсатора, между пластинами которого находится исследуемая жидкость. Поскольку известно, что диэлектрическая проницаемость любой жидкости как минимум вдвое выше, чем воздуха, по ёмкости конденсатора можно вычислить её количество. Здесь основной источник погрешности — нестабильность диэлектрической проницаемости (как правило, зависит от температуры). Для компенсации этого влияния вводят калибровочный конденсатор, гарантированно заполненный жидкостью. Логическим развитием этой идеи является измерение ДП среды через каждые, скажем, 5 мм. Зная распределение этой величины по высоте можно достоверно судить об уровне жидкости. Более того, можно выявлять воздушные или водяные линзы в исследуемой жидкости. Для проведения исследований был изготовлен измерительный элемент, на котором методом печатного монтажа нанесены 64 измерительных конденсаторов с шагом 5 мм. От исследуемой среды рабочие обкладки конденсаторов защищены эпоксидной смолой. В качестве рабочей жидкости было использовано моторное масло с e=2,073. Разрешающая способность измерения уровня составила приблизительно 1/50 шага (~0,1мм), однако проверить показания прямым методом с такой точностью не получилось.



Обнаружение взрывчатых веществ.
Анализ "открытых" источников показывает, что большинство взрывчатых веществ изготовляются из компонентов с высокой (свыше 25) диэлектрической проницаемостью, а ДП бумаги и дерева от 4 до 6, что позволяет с высокой вероятностью выявлять опасные вложения, например, в почтовых отправлениях. Демонстрационный экземпляр представляет собой матрицу измерительных конденсаторов 16 х 16, внутрь которой помещается исследуемой конверт. Система производит измерение ёмкости 256 конденсаторов и отображает на экране распределение диэлектрической проницаемости среды по площади. Наличие "подозрительных" неоднородностей является основанием для исследования конверта "другими методами".




Исследование трёхфазных потоков.
Наиболее сложной проблемой является вычисление распределения ДП в сечении трёхфазного (жидкость, газ, твёрдая фракция) потока. Это бывает необходимо для вычисления доли нефти, прокачиваемой по трубе. Технология добычи в настоящее время такова, что в продукте извлекаемом из скважины содержится до 5% нефти, остальное — вода, газ, песок. ДП этих веществ отличаются существенно, поэтому знание распределения её в сечении позволит однозначно идентифицировать распределение вещества.
Это так называемая "обратная задача", когда зная взаимные ёмкости электродов, размещённых на поверхности контура, необходимо найти распределение диэлектрической проницаемости внутри него. Строго говоря, задача не имеет однозначного решения, но, сделав ряд допущений, можно получить приемлемые результаты.

Математическая модель.
Исследование возможностей электроемкостного метода удобно проводить с помощью численного моделирования, например методом конечных элементов (КЭ). Согласно этому методу исследуемая область разбивается на участки, внутри которых напряжённость поля считается постоянной ( в более сложном случае — изменяется по фиксированному закону) — конечные элементы. В простейшем случае треугольные. При решении простых задач, удобно иметь программу генерирующую сеть КЭ заданной конфигурации. Например прямоугольную:



или такую:



или, как частный случай, такую:



Естественно, внутри КЭ свойства вещества не меняются, но каждому КЭ можно назначить любое вещество ( показано другим цветом).



Вершины треугольников (КЭ) называются узлами. Для более точного соответствия модели реальному объекту координаты узлов можно подкорректировать. Сравните:



и:



После того, как задано распределение веществ, задаются граничные условия, в нашем случае - потенциалы электродов, точнее - принадлежащих электродам узлов. Этих данных достаточно, чтоб рассчитать потенциалы остальных узлов - на рисунке светлым прочерчены эквипотенциали:



а так же напряжённость поля в каждом КЭ:



Дальше уже совсем просто рассчитать взаимную ёмкость любой пары электродов, влияние на неё свойств каждого КЭ и т.д.
14.08.2018
Наша фирма стала резидентом "Сколково"
16.05.2016
Разработан дефектоскоп ВД-2 БИС.
30.04.2015
Путин поручит Генпрокуратуре разобраться с качеством бензина. http://tass.ru/ekonomika/1940601 Интересно, как это скажется на продажах нашего ИВН-2003?
20.03.2015
Освоен выпуск структуроскопа МШ-2, использующего эффект Баркгаузена для определения механических свойств конструкционных сталей. Применяется при производстве рельсов, труб большого диаметра и т.д..
архив новостей »
Ваш e-mail:  
подписаться   отменить подписку
  Приборы, ВТП и емкостные датчики [PDF, 441 Kb]
ООО "ГлавДиагностика", 2007
105023, Россия, Москва
ул. Буженинова, д. 2
тел.: +7 495 964-04-84
  Top100
Разработка сайта: D2Studio