Уравнение линеаризации выходного параметра емкостных преобразователей

Емкостные преобразователи. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением

где δ — расстояние между электродами; Q — их площадь; е — электрическая постоянная; е_r — относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 14.3а) Q = b∙х и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 14.4б).

Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя

постоянна, и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ.

Если изменяется расстояние δ между электродами, функция преобразования С = f(δ) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя

сильнее, чем в предыдущем случае, зависит от расстояния между пластинами δ. Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьшить δ. Предельное его значение определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых δ возможен электрический пробой между электродами. Пробой в сухом воздухе при атмосферном давлении происходит при напряженности Е = 3∙10 3 кВ/см. Однако расчетное значение напряженности обычно не превосходит 700 кВ/см.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 14.5а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью.

Рис. 14.5. Схема конденсатора переменной емкости с изменяемой диэлектрической проницаемостью: а – поперечное сечение, б – вид в плане

Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них С_ε образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С — оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью e_r имеет толщину δ, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

где Q — площадь электродов; Q_ε — часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме.

Емкостный преобразователь включается в измерительную цепь; при этом изменение его емкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульсного тока. Существует довольно много различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Большинство из них основано на том, что конденсатор переменной емкости (датчик) включается в состав резонансного контура генератора. При изменении емкость меняется частота резонанса контура, которая измеряется и является выходной величиной.

Погрешность емкостного преобразователя. Электроды емкостного преобразователя монтируются на изоляционных деталях или разделяются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют различные коэффициенты линейного расширения, При изменении температуры это приводит к изменению расстояния между электродами. Хотя это изменение мало, оно может быть соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имеющей аддитивную и мультипликативную составляющие; Первая может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.

Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более 10 7 Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и выше, вплоть до нескольких мегагерц. Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присутствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а также идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянием изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах, когда токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности.

Особенности применения емкостных преобразователей. Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов.

Основным недостатком емкостных преобразователей является их малая емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты, Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля.

Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Емкостные преобразователи широко применяются в научно-исследовательской работе, где имеется высококвалифицированный персонал для разработки, эксплуатации и ремонта датчиков и вторичных приборов. В условиях научного эксперимента ценным свойством датчиков является простота их конструкции и технологии.

Лекция 9. Емкостные преобразователи

Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивность сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах .сопротивление конденсатора надает и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 8.2, в), где г_вкв =r и С_экп = С_о + С„. Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.

В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше л/2 на угол потерь 6. Последовательная и параллельная схемы, учитывающие потери в диэлектрике, представлены на рис. 8.2, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через привод;; в справочных данных тангенс угла потерь 6 как или . Емкости С_1экв и С_2экв связаны между собой зависимостью и, так как обычно tg б -5 , так как определяется только потерями в изоляции между электродами и в материале электродов.

В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности. В частности, зависимость от влажности настолько существенна, что на этом принципе строятся измерителя влажности зерна и некоторых других сыпучих материалов. В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1—2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости Со цепочки, состоящей из емкости Сэ, и сопротивления R . Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 8.2, д.

При работе ЭС преобразователей на постоянном токе нужно учитывать существующую между электродами контактную разность потенциалов (КРП), включаемую в эквивалентной схеме последовательно с емкостью. КРП зависит от природы материалов, свойств и чистоты поверхности и существует даже между электродами, выполненными из одного и того же материала. Так, между электродами, выполненными из алюминия высокой чистоты, КРП может достигать 1 В. Лишь применение специальных мер позволяет снизить КРП до значения 10—20 мВ.

Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением

напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном, давлении и зазорах между пластинами 0,1 —10 мм эта напряженность составляет 2—3 кВмм. При зазорах, меньших 0,1 мм, можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньших 350 В, воздушный промежуток вообще не пробивается независимо от длины зазора.

В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d = 25 мм, зазоре δ = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической мы достигает f_эс = U 2 εS/(2δ) 2 = 6*10 -4 Н.

В дифференциальном преобразователе с переменным зазором, силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компенсация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной _ диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, остается неизменной, т. е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.

Зависимость емкости от внешних условий. Относительное изменение емкости С = εS/ определяется как Yc = Ye –Ys- Ye. Площадь S, как правило, определяется линейными размерами, составляющими 10—100 мм, и изменение этих размеров на 0,1—1 мкм вызывает пренебрежимо малое изменение площади S и емкости С.

Зазор δ в ЭС преобразователях составляет 10 мкм — 1 мм, и его изменения даже на 0,1 мкм могут вызвать существенную погрешность.

Поэтому при конструировании ЭС преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов и защиты от выпадения на рабочих плоскостях электродов каких-либо осадков (герметизация, вакуумирование и т. д.). Одной из основных причин изменения зазора является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под действием температуры.

В качестве примера на рис. 8.3. показан емкостный преобразователь для изменения давления. Подвижной пластиной преобразователя служит мембрана, припаянная к латунному корпусу, который ввинчивается в полость, где измеряется давление. Неподвижная пластина 2 выполнена в виде тонкой медной фольги, наклеен-J ной на кварцевый изолятор. Зазор между пластинами составляет 20 мкм. Толщина кварцевой пластины 3 мм. Коэффициент линейного расширения (K/IP) для латуни 18,9-10 -6 К -1 , Для кварца 0,5-10 -8 К -1 . Увеличение зазора при увеличении температуры на один градус составляет ∆δ — (18,9 -i- 0,5)*10 -6 *3-10 -3 = 55,2- 10 -9 м = 0,05 мкм. Полагая, что изменение зазора при действии номинального давления 10 мкм, можно оценить приведенную температурную погрешность значением 0,005 К -1 .

Очевидно, что эта погрешность слишком велика и конструкцию датчика, несмотря на ее простоту, нельзя признать удачной.

Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий: при изменении температуры на 10 °Су_е =0,002%, при изменении влажности от 30 до 40% υ_е = 0,01%, при изменении давления на 10 Б Н/м 2 v_e = 0,06%. Стабильными диэлектриками являются также плавленый кварц (у_Е = = 5-10 -6 К -1 ) и стекло.

Диэлектрическая проницаемость ряда керамик, в особенности сегнетоксрамик, наоборот, сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления. На основе сегнетокерамических материалов выпускаются различные типы варикондов — переменных конденсаторов с не-, линейной зависимостью емкости от приложенного напряжения, используемых в схемах допускового контроля напряжения, а также сегнетокерамические преобразователи реле контроля температуры. Достоинства сегнетокерамических преобразователей — малое потребление мощности (сопротивление между электродами на постоянном токе (10 s —10 е Ом) и, следовательно, малый самонагрев. Недостатками, мешающими пока их широкому использованию в измерительных цепях, являются плохая воспроизводимость характеристик у различных образцов и критичность к влиянию внешних факторов. Например, характеристики варикондов зависят от температуры, а температурные характеристики реле контроля температуры зависят от напряженности поля.

Силы, создаваемые ЭС преобразователями, чрезвычайно малы и на несколько порядков меньше сил, которые можно получить в электромагнитных преобразователях. Однако ЭС преобразователи обладают рядом ценных качеств, которые обусловливают их применение в вольтметрах.

Во-первых, как видно из формулы вращающего момента ЭС преобразователя Mвр =1/2U 2 дС/да, вращающий момент пропорционален квадрату напряжения как постоянного, так и переменного тока. Уменьшение напряжения на пластинах преобразователя (см. рис. 8.2.) и, следовательно, частотная погрешность начнут проявляться только на частотах, при которых заметно падает напряжение на сопротивлении ввода . Сопротивление r незначительно, и им обычно можно пренебречь. Поэтому частотная погрешность может быть оценена формулой γ1= wl/(1/wc) = w 2 LC. Обозначив , выражение для погрешности приведем к видуy₁ = (w/w ) 2 =(f/f ) 2 . Частота f лежит обычно в пределах 30—100 МГц. Соответственно при y_t = 1% верхняя граница частотного диапазона ЭС преобразователей составляет 3—1 МГц, и эти преобразователи используются в вольтметрах с широким частотным диапазоном.

Во-вторых, ЭС преобразователь, обладая высоким входным сопротивлением, потребляет исключительно малую мощность: на постоянном токе его входное сопротивление R_nx = 10 9 -10 11 Ом, на переменном токе Z=1/(jwC). Если учесть, что входная емкость преобразователя не превышает 10—100 пФ, его сопротивление даже при частоте f = 1 МГц составляет не менее 10—1 кОм.

Наконец, в уравнение преобразования напряжения в силу или вращающий момент входят только стабильные величины — диэлектрическая проницаемость воздуха ε и геометрические размеры, поэтому принципиально ЭС преобразователь обладает очень высокой точностью. Эти ценные качества обусловили, несмотря на малость создаваемых вращающих моментов, широкое применение электростатических вольтметров с пределами измерения 10 В — 100 кВ.

Схематическая конструкция механизмаэлектростатического вольтметра С95 приведена на рис. 8.4. На стойке 2 укреплен на изоляционной колонке 11 неподвижный электрод 10, представляющий собой камеру из двух параллельных пластин. Между этими находится пластинами подвижный электрод 9. Подвижный электрод монтируется на оси 7, на этой же оси прикреплено зеркало 8. Подвижная часть крепится на двух растяжках 1. Растяжки крепятся к амортизационным пружинам со втулками 5. На стойке укреплен поводок корректора 4, ограничитель смещения подвижной части 6 и магнит успокоителя 3. Вращающий момент M_Bp = ½ U 2 εo/d*dS/da. Противодействующий момент Мпр = Wa, где W — удельный противодействующий момент растяжек.

Таким образом, угол поворота подвижной части

Шкала электростатических приборов принципиально нелинейна, линеаризации шкалы добиваются выбором специальной формы электродов.

Для приборов с меняющейся площадью шкала будет близка к линейной, если удастся выбрать форму электродов так, что в рабочем диапазоне dS/da≈ k/a.

Вследствие того, что вращающие моменты электростатических измерительных механизмов очень малы, для всех конструкции характерен световой отсчет (стрелка в виде луча света) и крепление подвижной части на растяжках, причем одна из растяжек используется как токоподвод к подвижному электроду. В приборах применяются как воздушные, так и магнитоиндукционные успокоители, хотя в отдельных случаях достаточное успокоение создается уже самим подвижным электродом при движении его в узком зазоре между неподвижными электродами. Очень большое внимание при конструировании уделяется стабильности размеров, которые определяют геометрические параметры, входящие в выражение для вращающего момента. Наконец, ЭС преобразователь дат-жен быть защищен от внешних электрических полей, поэтому в электростатических приборах применяется либо специальный экран, либо металлический корпус.

Форма электродов, приведенная на рис. 8.4, используется в вольтметрах с пределами измерения до 1 кВ.

Совершенно особую конструкцию имеют ЭС преобразователи, к которым подается напряжение 10—100 кВ. Внешний вид такого прибора и схематическая конструкция механизма показаны на рис. 8.5.

Высоковольтный потенциальный электрод 1, размеры и форма которого рассчитываются из условий электрической прочности, закреплен на опорном изоляторе и находится на некотором расстоянии от второго электрода 2 (рис. 8.5., а). В электроде 2, который служит экраном, расположена подвижная часть и шкала измерительного механизма. Экран 2 электрически соединен с подвижным электродом 3, закрепленным на растяжках 4 (рис. 8.5., б). В экране, в области электрода 3, сделаны окна, форма и размер которых определяют шкалу измерительного .прибора, так как только через эти окна электростатическое поле электрода 1 проникает через экран 2 и взаимодействует с подвижным электродом 3, создавая вращающий момент.

Электрометры. Схематическая конструкция и эквивалентная схема электрометра, называемого бисквитным, показаны на рис. 8.6., а, б. ЭС преобразователь электрометра состоит из четырех попарно соединенных неподвижных электродов 2 и 3 и находящегося между ними подвижного электрода 1. Система электродов окружена экраном 4. Измеряемое напряжение V_х подключается между электродом и экраном 4. Источники дополнительного напряжения подключаются к неподвижным электродам 2 и 3 и общей шине, соединенной с экраном. Емкостные связи между отдельными элементами системы электронов показаны на рис. 8.6., б. Энергия электрического поля такой системы определяется формулой

Учитывая, что емкости между неподвижными электродами С₂₃ и С₃₂, а также между неподвижными электродами и корпусом C₂₄

и C₃₄ остаются неизменными, вращающий момент можно выразить формулой

Емкость между подвижным электродом и экраном С₁₄ пренебрежимо мала, так как они разделены неподвижными электродами. Производные dC₁₂/da dC₁₃/da противоположны по знаку, но равны

по значению с погрешностью. Учитывая эти обстоятельства, получим для случая U₂₄ =( — U₃₄ +δu) формулу

Из этой формулы видно, что а) электрометр может быть использован в качестве множительного преобразователя X и Y, если задать U₁₄ = k₁Y и U₂₄ — k₂X б) в электрометре можно обеспечить линейную зависимость между М_о и U_x =U₁₄, если использовать вспомогательный источник с заданным напряжением U = U₂₄; в) чувствительность электрометра к напряжению U можно повышать путём увеличения напряжения U_o, однако при этом при заданных несимметриях

возрастает погрешность электрометра у = ∆M/Mo= U_o (±rn ± 2р) / (4Ux).

Электростатические обратные преобразователи. Принцип действия электростатического обратного преобразователя (ЭСОП) основан на возникновении силы между электрически заряженными телами. Сила взаимодействия между двумя пластинами конденсатора (рис. 8.7) F = εSU 2 / (2δo 2 ;), где U — напряжение между пластинами.; δ — зазор; S — площадь пластин; ε — диэлектрическая проницаемость среды.

ЭСОП нашли применение в приборах уравновешивания для измерения давления. Давление, создаваемое ЭСОП, составляет) Pb = εU 2 / (2δo 2 ). ОтношениеU/δo ограничено возможностью пробоя, соответственно ограничено и давление, создаваемое ЭСОП, максимальное значение давления Яр = 100 Па.

Динамические конденсаторы, или емкостные вибрационные преобразователи, применяются при измерении мало меняющихся во времени малых токов или напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением.

Схематическая конструкция динамического конденсатора мембранного типа с электростатическим возбуждением приведена на рис. 8.8. Неподвижные электроды 1 и 2 укреплены на изоляторах -3. Мембрана 4 служит подвижным электродом. К электроду 1через резистор R_t подводится измеряемое напряжение U_х. К электроду 2 подводится возбуждающее переменное напряжение U = U_m sin ωt,под действием которого между электродом 2 и мембраной 4 возникает электростатическая сила

Эта сила вызывает постоянное смещение мембраны и ее вибрацию с частотой 2w. Таким образом, зазор между электродом 1 и мембраной 4 также изменяется с частотой 2w и может быть определен формулой δ₁ =δ₀₁ +δmcos 2wt, где δ₀₁ — средний зазор. Емкость конденсатора, образованного электродом 1и мембраной 4, меняется как При включении конденсатора C₁ в режиме заданного заряда (см,

Конденсатор С₃ отфильтровывает постоянную составляющую, и выходное напряжение динамического конденсатора пропорционально Ux и изменяется с частотой 2w, U_вых= kU_x cos 2wt.

Коэффициент преобразования k = U_m _вых. /U_х составляет обычно не более 0,1—0,2.

Мощность, потребляемая динамическим конденсатором от источника измеряемого напряжения, определяется сопротивлением изоляции конденсатора, т. е. R_ут . В качестве изоляторов применяется алундовая и цель-зепновая керамика. Сопротивление R_утсоставляет 10 14 — 10 17 Ом.

В качестве систем возбуждения используются системы электромагнитного, электростатического и пьезоэлектрического типов. Технологически трудно исключить все паразитные связи и добиться полной развязки между электрической цепью системы возбуждения и выходной цепью преобразователя. Поэтому в выходном напряжении преобразователя присутствует помеха, частота которой равна частоте напряжения возбуждения. Для уменьшения этой помехи путем фильтрации необходимо, чтобы частоты выходного сигнала и возбуждающего напряжения не совпадали. В рассматриваемом преобразователе, например, эти частоты отличаются в два раза.

Наиболее существенной погрешностью преобразователя является дрейф напряжения между электродами конденсатора, называемый дрейфом нуля. На величину дрейфа наибольшее влияние оказывает нестабильность контактной разности потенциалов, которая даже при применении всех мер стабилизации составляет 50—200 мкВ в сутки.

Конструкции емкостных преобразователей. На рис. 9.1., а показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С_х образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С_о — остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом. Емкость преобразователя

С = С1+С =[lε + (l –l) ε] 2π/ln(R₁/R₂ ) — полная длина цилиндра; l- длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

На рис. 9.1., б изображен емкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости. Емкостный зонд был предложен для измерения высоты волн и представляет собой остеклованный электрод 1. Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной пени при помощи электрода 3.

Емкость С =l 2πε/ln(R₁/R₂ ), где l — глубина погружения; е — диэлектрическая проницаемость стекла;

R₁ и R₂, — внешний и внутренний радиусы стеклянного покрытия. Вместо специального электрода может быть использован кусок провода, покрытого изоляцией, не смачиваемой жидкостью.

Емкостные преобразователи. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

где δ — расстояние между электродами; Q — их площадь; е₀ — электрическая постоянная; е_r — относительная проницаемость диэлектрика.

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

постоянна, и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ.

Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них С_ε образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С₀ — оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью e_r имеет толщину δ, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением

где Q — площадь электродов; Q_ε — часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме.

Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Емкостные преобразователи

К емкостным преобразователям относятся устройства, у которых электрическая емкость или диэлектрические потери изменяются под действием входной величины

где − диэлектрическая проницаемость среды;

_о − относительная диэлектрическая проницаемость;

S − площадь пластин, мм 2 ;

d − расстояние между пластинами, мм.

Изменяя , S и δ можно изменять электрические параметры преобразователя. В связи с этим преобразователи изготавливают с различным конструктивным исполнением.

Преобразователи с изменяющимся воздушным зазором (рисунок 5.1, а). Такие преобразователи используют для измерения малых перемещений от доли микрон до доли миллиметров. Также преобразователи в цепях постоянного тока позволяют измерять скорость перемещения и другие по времени переменные величины, которые могут быть преобразованы в перемещения.

Функция преобразования С = f₃ (δ) нелинейна, что ограничивает диапазон изменения δ. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния δ, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 кВ/см для воздуха).

Рисунок 5.1 — Схемы емкостных преобразователей

Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.

В ёмкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля W_Э пo перемещению подвижной пластины,

где U − напряжение между пластинами;

С − емкость между пластинами.

Применяются дифференциальные преобразователи (рисунок 5.1, б)у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно, но с разными знаками, изменяются зазоры δ₁ и δ₂, соответственно изменяются емкости С₁ и С₂. Дифференциальные преобразователи дают возможность увеличить чувствительность прибора, уменьшить усилие между подвижными и неподвижными пластинами, уменьшить нелинейность функции преобразования и снизить влияние внешних факторов (температуры, давления и влажности воздуха и т. д.).

Находят применение многопластинчатые емкостные преобразователи с несколькими неподвижными и подвижными пластинами. Увеличение числа пластин ведет к увеличению емкости преобразователя.

Преобразователи с изменяющейся площадью (рисунок 5.1, в). Используются для измерения больших линейных (более 10 мм) и угловых (до 270°) перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью (рисунок 5.1, г, рисунок 5.2). Используются для измерения влажности твердых и сыпучих веществ (ткань, нить, песок), а также для измерения контроля уровней, толщины изоляционных материалов, механических сил.

Схема преобразователя для измерения уровня представляет собой цилиндрический конденсатор с коаксиально расположенными электродами. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами материала. Для неэлектропроводной (диэлектрической) жидкости (10 -4 См/м), применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схема которого представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема емкостного преобразователя для измерения уровня

Чувствительный элемент состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, пространство H — h − парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением

где – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство;

– диэлектрическая проницаемость вакуума;

H – высота электродов;

D, d – диаметры наружного и внутреннего электро-

Достоинствами емкостных преобразователей является: простота, высокая чувствительность, стабильность работы. Недостатки: большое выходное сопротивление, малая выходная мощность, влияние паразитных емкостей, необходимость использования ИП повышенной частоты.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяются мостовые схемы (равновесные, неравновесные – рисунок 5.3) и схемы с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью. Например, таким прибором удалось обнаружить перемещение порядка 10 -7 мм.

Рисунок 5.3 – Мостовая схема включения емкостного преобразователя

Емкости большинства преобразователей составляют 10…100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания
(10 5 …10 7 Гц) их выходные сопротивления велики и равны Х_с = 10 3 …10 7 Ом. Выходная мощность преобразователя мала и поэтому требует применения усилителей.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные кабели тщательно экранируются.

Преобразование электрической емкости в электрический сигнал может осуществляться разными методами: цепями в виде делителей, мостами переменного тока, резонансными и импульсными методами.

Часто преобразователи включают в цепи в виде делителя.

На рисунке 5.4 приведена схема цепи с операционным усилителем, построенная по принципу делителя напряжения.

В данном случае

С помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора

С₂ ( )

или изменение площади конденсатора,

С₁ ( ).

В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемых величин будет линейной.

Рисунок 5.4 — Схема включения преобразователя, построенная по принципу делителя напряжения

В данной схеме емкости экранированных проводов С_Э1, С_Э2, С_Э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости С_Э1 и С_Э3 включены параллельно источнику сигнала U_П и операционному усилителю. Емкость же С_Э2 включена параллельно входам операционного усилителя и напряжение на ней близко к нулю.

Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе Р = U 2 ·ω∙C (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор) и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных преобразователей – простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Недостатками являются, влияние внешних электрических полей и паразитных емкостей, внешних факторов (температура, влажность), относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках повышенной частоты (до единиц мегагерц).

источники:

http://helpiks.org/7-88158.html

http://poisk-ru.ru/s75142t1.html