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, мм²;

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-

Дов, соответственно.

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
(10⁵…10⁷ Гц) их выходные сопротивления велики и равны Х_с = 10³…10⁷ 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 = U² ·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).