Конструкция емкостного преобразователя

Емкостные преобразователи. Конструкции емкостных преобразователей

Конструкции емкостных преобразователей. На рис. 2-29, а пока­зано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конден­саторов: конденсатор C1 образован частью электродов и диэлектри­ком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С0 – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом.

С = С1 + С0 =

где l0 – полная длина цилиндра; l – длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; e – диэлектрическая проницаемость жидкости; R1 и R2 – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

На рис. 2-29, 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 цепи при помощи электрода 3.

где l – глубина погружения; e – 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.

На рис. 2-29, в показан принцип устройства емкостного преобра­зователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить d, площадь обкладок S, толщину ленты dл и ее диэлек­трическую проницаемость eл, то емкость С можно выразить формулой:

На рис. 2-29, г показан принцип устройства емкостных преобра­зователей с переменной площадью пластин, используемых для изме­рения угла поворота вала. Пластина1, жестко скрепленная с валом, перемещается относительно пластины 2 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность соот­ветствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением. Преобра­зователи с переменной площадью применяются для измерения пере­мещений больше 1 мм.

Для измерения малых перемещений (10-6 – 10-3 м) получили применение преобразователи с переменным зазором. Принцип уст­ройства подобного дифференциального преобразо­вателя изображен на рис. 2-29, д. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается поступа­тельно под воздействием измеряемой силы F. Об­кладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обклад­ками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 – уменьшается.

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; е0 — электрическая постоянная; еr — 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∙103 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.

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

где Q – площадь электродов; Qε – 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 107 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.

Эти преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Электрическая емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле (16.6) /14/

– относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;

S – активная площадь обкладок;

δ – расстояние между обкладками.

Отсюда следует, что в емкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть либо δ, либо S, либо

На рисунке 16.6 схематически изображены различные типы емкостных преобразователей.

Преобразователь на рисунке 16.6а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние δ между пластинами. Функция преобразования C= f(δ) нелинейна, причем чувствительность возрастает с уменьшением δ. Минимальное значение δ определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). На рисунке 16.6б показан дифференциальный емкостный преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Дифференциальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейности или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Рисунок 16.6 – Емкостные преобразователи

Преобразователь на рисунке 16.6в также имеет дифференциальную конструкцию, но в нем происходит изменение активной площади пластин. В таком преобразователе можно получить необходимую функцию преобразования путем профилирования пластин.

На рисунке 16.6г изображен емкостный преобразователь для измерения уровня жидкости. Емкость между электродами зависит от уровня жидкости, так как диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.

Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что позволяет увеличить мощность выходного сигнала и снизить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.

Рисунок 16.7 – Контактный кондуктометрический преобразователь

Кондуктометрические преобразователи для измерения концентрации растворов делятся на контактные и бесконтактные. Простейший контактный кондуктометрический преобразователь (рисунок 16.7 а) содержит два электрода, погруженных в исследуемый электролит. Сопротивление между электродами зависит от концентрации (проводимости) раствора. Электроды могут быть плоскопараллельными, цилиндрическими или точечными и изготовляются из платины, графита, нержавеющей стали или других материалов, химически стойких к исследуемым растворам.

При прохождении через преобразователь постоянного тока происходит электролиз раствора, что приводит к значительным погрешностям измерений. Поэтому измерение сопротивления между электродами обычно проводят на переменном токе.

Для уменьшения погрешности от поляризации и загрязнения электродов иногда используют четырехэлектродные преобразователи (рисунок 16.7 б). Пара электродов 1-1 (токовые электроды) подключается к внешнему источнику тока. При этом в растворе протекает стабильный ток, а между электродами 2-2 (потенциальными электродами) создается разность потенциалов, пропорциональная удельному сопротивлению раствора. Потенциальные электроды подключаются к усилителю напряжения с достаточно высоким входным сопротивлением. Обычно такой преобразователь также работает на переменном токе.

Бесконтактные кондуктометрические преобразователи не имеют контакта металлических электродов с электролитом, что исключает эффект поляризации, загрязнение электродов и другие отрицательные явления, возникающие при взаимодействии электродов и раствора.

Бесконтактные преобразователи делятся на низкочастотные (f <50 кГц) и высокочастотные. На рисунок 16.8а иллюстрируется принцип действия низкочастотного трансформаторного преобразователя. Исследуемый раствор образует замкнутую вторичную обмотку трансформатора, сопротивление которой определяется концентрацией раствора. Изменение концентрации вызывает изменение, сопротивления потерь, вносимого в первичную обмотку w трансформатора. Измерение эквивалентных параметров первичной обмотки позволяет определить концентрацию раствора.

Преобразователь на рисунок 16.8б содержит два трансформатора, причем замкнутый виток исследуемого раствора является вторичной обмоткой первого трансформатора и первичной обмоткой второго. Первичная обмотка w питается от источника переменного напряжения. При этом ток в витке электролита пропорционален его проводимости; соответственно проводимости электролита оказывается пропорциональна и ЭДС Uвых на обмотке

Описанные бесконтактные преобразователи характеризуются более высокой стабильностью характеристик и меньшей погрешностью, чем контактные.

Высокочастотные бесконтактные преобразователи делятся на емкостные, которые применяются для измерения концентраций растворов с малой электропроводностью (10-6-1См/м), и индуктивные – для растворов с электропроводностью 10-2-102 См/м.

Рисунок 16.8 – Бесконтактные кондуктометрические преобразователи

В преобразователях погружного типа катушка индуктивности или электроды конденсатора помещаются в трубку и изолированы от исследуемого раствора. Влияние проводимости раствора проявляется во внесении потерь в индук­тивность или конденсатор, т.е. в изменении активной составляющей их комплексной проводимости на высокой частоте. Такие преобразователи обычно включаются в резонансный контур, у которого меняется добротность, или в контур автогенератора, у которого изменяется частота генерации.

Преобразователи излучений. В преобразователях излучений выходная электрическая величина функционально связана с характеристиками излучения. В зависимости от вида излучения различают оптоэлектрические и ионизационные преобразователи.

Оптоэлектрический преобразователь измеряемой величины х1 или х2 в выходную электрическую величину у (рисунок 16.9) содержит источник излучения ИИ потока Ф1, некоторый оптический канал ОК и прием-пик излучения ПИ, воспринимающий поток и преобразующий его в электрическую величину «у».

Воздействие измеряемой величины х на поток излучения Ф2 может осуществляться двумя путями. В первом случае измеряемая величина х1 (рисунок 16.9) воздействует непосредственно на источник излучения и изменяет тот или иной параметр излучаемого потока Ф1. Во втором случае измеряемая величина х2 модулирует соответствующий параметр потока Ф2 в процессе его распространения по оптическому каналу.

В оптоэлектрических преобразователях используется оптическое излучение видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. Источниками излучения могут служить лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. В качестве приемников излучения чаще всего применяются фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Следует отметить, что фотоэлементы являются генераторными преобразователями, а фотодиоды могут быть генераторными или параметрическими преобразователями.

Оптоэлектрические преобразователи используются для бесконтактных измерений разнообразных физических величин. Чаще всего под действием измеряемой величины изменяется интенсивность излучения, например, вследствие изменения температуры излучателя, изменение поглощения или рассеяния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью оптического хода этих лучей, частота и длина волны излучения, генерируемого источником. Соответственно структурные схемы оптоэлектрических преобразователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и углов поворота плоскости колебаний (плоскости поляризации) и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

Рисунок – 16.9 Структурная схема оптоэлектрического преобразователя

Рисунок – 16.10 Структурная схема прибора для измерения толщины листа

В ионизационных преобразователях используются различные виды ионизирующих излучений:

– излучение, реже – нейтронное и рентгеновское излучения. Источниками излучений служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки. В качестве приемников излучений применяют ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные счетчики.

Ионизационные преобразователи служат для измерения интенсивности ионизирующих излучений, геометрических размеров (например, толщины стенки детали), перемещений, концентрации веществ и т. д.

Емкостные преобразователи;

Принцип действия и конструкция. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

где δ – расстояние между электродами; Q – их площадь; ϵ0 – электрическая постоянная; ϵr – относительная проницаемость диэлектрика.

У преобразователя с прямоугольными электродами (рис. 3.3.1, а) Q = bх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 3.3.1, б). 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*.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 3.3.2, а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Пробой в сухом воздухе при атмосферном давлении происходит при напряженности

Е=3·103 кВ/см. Однако, расчетное значение напряженности обычно не превосходит 700 кВ/см.

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 ϵr 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. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения α с переменной площадью электродов приведена па рис. 3.3.2, б. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном.

Схемы включения. 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 мною различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

Для включения недифференциального преобразователя может использоваться резонансная цепь (рис. 3.3.3, а). Генератор через разделительный трансформатор Т питает резонансный LС -контур. Емкость контура состоит из емкости преобразователя С пр и подстроенного конденсатора емкостью С, частота и значение напряжения генератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изменяется по резонансной кривой, как показано на рис. 3.3.3, б. При изменении емкости преобразователя на Δ С напряжение на контуре изменяется на Δ U. Подстроенный

конденсатор служит для настройки контура так, чтобы чувствительность измерительной цепи

Чувствительность резонансной цени довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

Для включения дифференциального емкостного преобразователя может быть использована мостовая цепь (рис. 3.3.3), работающая в неравновесном режиме. В этой цепи емкости C 1 и С 2 дифференциальный преобразователь. На схеме показано также экранирование соединительных проводов и диагоналей мостовой цепи. С э1, С э2, C э3, C э4 – емкости соответствующих экранов. Эти емкости включены параллельно активным сопротивлениям и входят в полные сопротивления плеч моста. Эквивалентные емкости экранов могут несколько изменяться при работе прибора. Для того чтобы их изменения мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления резисторов R должны быть малыми. Емкость C э5 не входит в уравнение равновесия моста, и ее изменение значительно меньше влияет на его выходное напряжение.

Другой схемой включения дифференциальных емкостных преобразователей является емкостно-диодная цепь (рис. 3.3.4, а). Дифференциальный преобразователь C 1 и С 2 подключается к источнику переменного напряжения через диоды VD 1 – VD 4 и конденсаторы С 3– С 4. При положительной полярности напряжения U конденсатор C 1 заряжается через С 3 и VD 1, а при отрицательной разряжается через С 4 и VD 2. Конденсаторы С 3 и С 4имеют равные емкости, а диоды VD 1 и VD 2 – равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напряжение синусоидально, то же синусоидальное

напряжение будет и на конденсаторе C 1 (в точке с), причем значение этого напряжения определяется значением C 1. Аналогичным образом напряжение на конденсаторе С2 (в точке d) изменяется синусоидально и его значение зависит от емкости С2. Если все диоды имеют одинаковые прямые сопротивления, то при C 1= С2 напряжения на этих конденсаторах одинаковы и напряжение между точками c и d отсутствует. Если же C 1≠ С2, то между точками с и d появится переменное напряжение, пропорциональное разности C 1 – С2. Это напряжение выпрямляется в течение одной половины периода диодами VD 1 и VD 3, а в течение второй – диодами VD 2 и VD 4. Выходное напряжение снимается с диодов VD 3 и VD 4. Его изменение во времени показано на рис. 3.3.5, б. Среднее выпрямленное значение напряжения U вых определяется разностью C 1 – С2и приближенно равно

Для того чтобы упростить экранирование, вся емкостно-диодная схема помешается в экранированный корпус датчика.

Погрешности 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.

Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присутствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а так же идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Однако емкость экрана может измениться 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 хилые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что даст 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 малая их 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.

Принцип действия и типы емкостных датчиков. Работа емкостных датчиков заключается в преобразовании измеряемой величины в емкостное сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип действия емкостных датчиков основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Наибольшее распространение получили емкостные датчики, измеряющие линейные перемещения. На рис. 5.25, а, б показаны схема емкостного датчика линейного перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала – перемещения х.

Емкостные преобразователи представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами ведет к изменению емкости преобразователя. Емкость данного конденсатора:

C =ee0 S/x,

где e – относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; e0 – диэлектрическая постоянная (e0=8,85´10–12 Ф/м); S – площадь обкладок; x –расстояние между обкладками.

Таким образом, преобразователь может быть построен с использованием зависимостей С = f 1(ε), С = f 2(S), С = f 3(x). Если изменяется расстояние x между электродами, функция преобразования С = f 3(x) представляет собой гиперболическую функцию. Чувствительность преобразователя возрастает с уменьшением расстояния x, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами d нач (менее 1 мм), которое определяется пробивным напряжением воздуха (10 кВ/см для воздуха). Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры, которую можно снизить выбором размеров деталей преобразователя и материалов.

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению измеряемой величины. Для плоского двухобкладочного емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором емкость равна

C =8,85´10–12 s /(d нач+ x), (5.4)

где d нач– начальное расстояние между пластинами площадью s.

Начальное расстояние d нач выбирается по конструктивным соображениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора. Для воздуха пробивное напряжение составляет порядка 3 кВ на 1 мм. Минимальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствительных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм. Чувствительность плоского емкостного датчика получаем дифференцированием уравнения (5.4):

S д= dC / dx =–8,85´10–12 . (5.5)

Чувствительность, как следует из (5.5), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она максимальна при малых входных сигналах (когда пластины расположены близко друг к другу) и быстро уменьшается при удалении пластин. Для увеличения чувствительности S целесообразно уменьшить x до d нач.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора, то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них Сe образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой С 0 – оставшейся частью электродов с межэлектродным пространством, не заполненным пластинкой. Если пластинка с относительной диэлектрической проницаемостью e r имеет толщину x,равную расстоянию между электродами, то

где Q – площадь электродов; Qe – часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами.

На рис. 5.26, а, бпоказаны схема емкостного датчика углового перемещения и зависимость емкости датчика от входного сигнала – угла поворота a. В этом датчике одна из пластин 1 неподвижна, другая 2 – может поворачиваться на оси относительно пластины 1.Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь взаимного перекрытия пластин 1 и 2(на рис. 5.26, а отмечена штриховкой), что приводит к изменению емкости.

Примерами реализации емкостных датчиков перемещения приведены плоскопараллельный датчик, для которого С = f 3(x)(рис. 5.27, а), и цилиндрический датчик перемещения с С = f 2(S) (рис. 5.27, б).

На рис. 5.28 показан емкостный датчик уровня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами. Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте питания: ХC =1/(w С)= =1/(2p fС), где w=2p f – угловая частота; f – частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. Применение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повышенной частотой (³400 Гц).

На рис. 5.29 показан емкостный датчик с цилиндрическими обкладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить металлический бак или резервуар с внутренним радиусом r 1, вторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилиндра с наружным радиусом r 2. Если резервуар заполнен до уровня х жидкостью с диэлектрической проницаемостью eи, то емкость датчика можно представить как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов:

С=Сx+СL – x,(5.6)

где Сх – емкость нижней части резервуара, заполненной жидкостью; СL – x – емкость верхней части резервуара, заполненной воздухом.

Чувствительность датчика тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость eи материала, уровень которого измеряется. Емкости конденсатора с цилиндрическими обкладками:

где l –высота обкладок датчика, т. е. максимальный уровень заполнения резервуара.

Для емкости нижней части датчика

Сx = e0eи

Для емкости верхней части датчика

Подставляя формулы (5.7) и (5.8) в (5.6), получим

а дифференцируя (5.9) по уровню, получаем чувствительность

Из уравнения (5.10) видно, что чувствительность датчика постоянна во всем диапазоне измерений. При измерении уровня химически агрессивных жидкостей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием.

В емкостном датчике давления (рис. 5.30) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1, воспринимающая давление Р. Другая обкладка 2датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что и мембрана 1. Между обкладками конденсатора имеется начальный воздушный промежуток d нач. Под воздействием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее d перемещение имеет центр мембраны. Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика. Приведем ее в окончательном виде:

Непосредственное объединение чувствительного элемента (мембраны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов обеспечивает простоту конструкции и высокую надежность, а отсутствие потерь на трение обусловливает высокую чувствительность по давлению такого датчика. При взаимном перемещении пластин в конденсаторе изменяется энергия электрического поля, что приводит к появлению усилий, приложенных к пластинам.

Энергия электрического поля в конденсаторе:

В емкостных преобразователях данного типа с емкостью С и напряжением U возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля W э по перемещению подвижной пластины d:

Емкостные датчики применяются и для автоматического измерения толщины материалов и покрытий при их изготовлении. Так, на рис. 5.31 приведен емкостный датчик для измерения толщины материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты). Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью роликов 2 контролируемый материал 3. Емкость датчика, представляющего собой плоский двухобкладочный конденсатор с двухслойным диэлектриком:

где s – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками; D–толщина контролируемого материала; eи–диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чем меньше разница между величинами d и D и больше диэлектрическая проницаемость материала eи, тем выше чувствительность. Повысить чувствительность измерения с помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Схемы включения емкостных датчиков. 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. Рассмотрим некоторые из них.

Для повышения точности, чувствительности и уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно выполнить дифференциальным (рис. 5.32), у которого имеется одна подвижная и две неподвижные пластины, и включить в мостовую схему, работающую в неравновесном режиме. Дифференциальный емкостный датчик представляет плоский конденсатор с металлической обкладкой 1,на которую действует измеряемая сила F. Обкладка 1 закреплена на упругой подвеске 6 и под действием силы Р перемещается параллельно самой себе. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С 1-2 и С 1-3.

Две неподвижные обкладки 2 и 3изолированы от корпуса прокладками 4 и 5. При отсутствии силы Р обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2и 3.При этом емкость конденсатора, образованного пластинами 1 и 2, равна емкости конденсатора с пластинами 1 и 3: С 1-2= С 1-3= С. Под воздействием измеряемой силы Р, преодолевающей противодействие упругой подвески 6,обкладка 7 перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсаторов получают приращения разных знаков:

С 1-3= С +D С; С 1-2= С – D С.

Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы, чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое. Силы, действующие между парами обкладок, направлены противоположено друг другу, т. е. взаимно компенсируются. Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряжение в измерительной диагонали моста зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходного напряжения на 180°.

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения с изменяющейся площадью взаимного перекрытия пластин по рис. 5.26 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Если пластины имеют форму половины круга (рис. 5.26), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окружности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:

C =8,85´10–12 s (n –1)a/(d ´180),

где п – общее количество неподвижных и подвижных пластин; s – площадь взаимного перекрытия пластин при a=0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d – постоянное расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.

Диапазон изменения угла поворота a от 0 до 180°. Все подвижные пластины электрически соединены между собой, а все неподвижные также соединены между собой, т.е. осуществляется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая емкость равна сумме емкостей параллельно соединенных конденсаторов.

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1°, т. е.

S д=8,85´10–12 s (n –1)/(d ´180).

Датчики угловых перемещений используют в мостовых измерительных схемах. Включение емкостного датчика в мостовую схему (рис. 5.32), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафиксировать изменения емкости на 0,1%. Для повышения чувствительности применяют дифференциальный датчик, показанный на рис. 5.33. При повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной 2 и уменьшается емкость между пластиной 1и неподвижной пластиной 3. Такой преобразователь используют для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин. Дифференциальная схема обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммарная емкость датчика остается неизменной.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увеличить повышением напряжения питания моста. При этом необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластинами. Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помещают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкостным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряжения. Однако при этом необходимы специальные меры по экранированию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и наводки.

Более высокую чувствительность позволяет получить так называемая резонансная схема. В этом случае емкостный датчик включается в колебательный контур совместно с индуктивным сопротивлением. Резонансная схема показана на рис. 5.34, а. Высокочастотный генератор 1 имеет частоту напряжения f ги питает через разделительный трансформатор связанный с ним контур, состоящий из индуктивности L к, подстроечного конденсатора С0 и емкостного датчика Сд, частота и значение напряжения генератора постоянны. Напряжение U к,снимаемое с контура, усиливается усилителем У и измеряется прибором 3, шкала которого может быть проградуирована в единицах измеряемой величины. При помощи подстроечного конденсатора С 0 контур настраивается на частоту f 0,близкую (но не равную) к частоте генератора так, чтобы чувствительность измерительной цепи

S =D U/ D С

Настройка производится при средней емкости датчика в диапазоне возможных изменений измеряемой величины:

C д0=(С max+ C min)/2.

В результате настройки напряжение U к, снимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рис. 5.34, б), чем напряжение при резонансе U р(точка О на рис. 5.34, б). Таким образом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине одного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001 %) и примерно линейная шкала измерительного прибора 3. Малейшее перемещение подвижной пластины датчика С д приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости (С д0–D С) приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости (С д0 + D С)–к резкому уменьшению напряжения. При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроечного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения и наоборот. Резонансная частота контура определяется из условия резонанса (равенства емкостного и индуктивного сопротивлений) 2p fL =1/(2p fC). Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная составляющая сопротивления контура. Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура.

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 107 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.

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 что приводят к погрешности.

Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их 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.