Электростатические преобразователи

СО

П--- _

о----

1

/

Рисунок 7.7—Схема индуктивного преобразователя трансформаторного типа

Преобразователь выполняется в виде П-образного сердечника 1 из магнитомягкого материала с двумя обмотками © ₁ и ш₂. Магнитная цепь замыкается подвижным магнитомягким якорем 2, закрепленным, например, с помощью упругих пластин. Обмотка сэ ₁ подключена к источнику питания переменного тока, а к зажимам обмотки т подключается измерительный прибор. Немагнитная металлическая подвижная пластина 3 является магнитным экраном, следовательно, вихревые токи, наводимые в этой пластине, ослабляют начальный магнитный поток.

Индуктивность обмотки L, расположенной на магнитопроводе, равна

L = ^,

Z

где Z — магнитное сопротивление магнитопровода; со —число витков обмотки.

Взаимная индуктивность двух обмоток М, расположенных на магнитопроводе определяется из выражения

Z

Магнитное сопротивление равно

Z = ^R²+X², где R —активная составляющая магнитного сопротивления:

R = Y,i + —, (7.9)

где l, s, иfi- длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i ‒ го участка магнитопровода; ju₀ - магнитная постоянная; 8 - длина воздушного зазора; s -площадь поперечного сечения воздушного зазора участка магнитопровода. Реактивная составляющая магнитного сопротивления Х:

X = —,

где Р — потери мощности в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом; w - частота тока; Ф ‒ магнитный поток в магнитопроводе.

Исходя из данных соотношений, индуктивность и взаимную индукцию можно изменять, изменяя 5, сечение воздушного участка s и т. д. Это достигается путем перемещения подвижного сердечника или немагнитной пластины относительно неподвижного сердечника.

Индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами и надежностью в работе.

Простейший электростатический (ЭС) преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью ε.

С электрической стороны преобразователь характеризуется:

• напряжением U между пластинами, зарядом q = C∙U, где С - емкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С = ε∙S/d (без учета краевого эффекта);

• током i = dq/dt;

• энергией электрического поля W ₃ = q-U/2 = OU²/2.

Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины ω, перемещением ее х, скоростью перемещения υ = dx/dt и электростатической силой притяжения f_эс = dW/dx.

Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:

dF = (ох + E ₀ -C ₀ -u; (7.10)

dq = E₀- C₀-x + C ₀ -u, (7.11)

где Е0 —напряженность электрического поля, С ₀ - емкость преобразователя.

Выходной величиной электростатического преобразователя может быть:

а) изменение емкости С,

б) сила f_эс,

в) ЭДС, генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электриче­
ском поле.

Для ЭС преобразователей, в которых изменяется емкость, входными величинами могут быть механическое перемещение, изменяющее зазор или площадь, или изменение диэлектрической проницаемости ε под действием изменения температуры или состава диэлектрика.

Для ЭС преобразователей с выходной величиной в виде силы входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольт­метрах, а также в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

ЭС преобразователи с изменяющейся емкостью (называемые в этом случае емкостными) используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи работают на переменном токе несущей частоты со, которая должна значительно превышать наибольшую частоту изменения емкости Q под действием измеряемой величины.

ЭС преобразователи измерительных механизмов электромеханических приборов.

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, при движении подвижной пластины емкость С между ними изменяется, поэтому формула вращающего момента будет иметь вид

(7.12) так и

как постоянного,

М _вр = (U²/2)∂С/∂α, т.е. вращающий момент пропорционален квадрату напряжения переменного тока.

Отклонение указателя электростатического ИМ

(7.13) частотная

a = (U²/2W )dC/da.

следовательно,

Уменьшение напряжения на пластинах преобразователя и, погрешность начнут проявляться только на частотах, при которых заметно падает напряжение на сопротивлении ввода z= ^r²+co²xL². Сопротивление r незначительно, и им обычно можно пренебречь. Поэтому частотная погрешность может быть оценена формулой y_f = co²LC.

Обозначив 1 НLC = со₀, выражение для погрешности приведем к виду y_f = (co / со ₀)² = (f/f0)². Частота f ₀ лежит обычно в пределах 30 - 100 МГц. Соответственно при y _f = 1% верхняя граница частотного диапазона ЭС преобразователей составляет 3 - 1 МГц.

Во-вторых, ЭС преобразователь, обладая высоким входным сопротивлением, потребляет исключительно малую мощность: на постоянном токе его входное сопротивление R_ex = 10⁹ ч 10¹¹ Ом, на переменном токе Z_ex ~ 1/ (jcoC). Если учесть, что входная емкость преобразователя не превышает 10 ÷ 100 пФ, его сопротивление даже при частоте f = 1 МГц составляет не менее 1 ÷10 кОм.

Наконец, в уравнение преобразования напряжения в силу или вращающий момент входят только стабильные величины - диэлектрическая проницаемость воздуха ε₀ и геометрические размеры, поэтому принципиально ЭС преобразователь обладает высокой точностью. Эти ценные качества обусловили, несмотря на малые значения создаваемых вращающих моментов, широкое применение электростатических вольтметров с пределами измерения 10В ÷ 100 кВ.

На рис. 7.8,а представлена упрощенная схема вольтметра с изменяющейся рабочей площадью пластин, на рис. 7.8,б — упрощенная схема вольтметра с изменяющимся рас­стоянием между пластинами, а рис. 7.8, в — упрощенная схема высоковольтного вольтметра.

а) Д^^'^^Ч б)

в)

А

-фб^ЧГ"

1 и 2 — неподвижная и подвижная пластины; 3 —высоковольтный электрод; 4 — заземленный

электрод; 5 —металлическая труба; 6— изолятор Рисунок 7.8-Устройство вольтметров на базе ЭС преобразователей

Противодействующий момент создается спиральной пружинкой (рис. 7.8, а) или весом подвижной пластины (рис. 7.8, б). Отклонение указателя зависит от напряжения, поэтому электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения. Шкала, градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы.

К достоинствам электростатических приборов относятся:

• большие пределы измерений (до 1 MB);

• при измерении постоянного напряжения мощность от измеряемой цепи не потребляется и входное сопротивление стремится к бесконечности;

• широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до 30 МГц).

Недостатками являются: малая чувствительность; изменение емкости в процессе измерения; низкая надежность; нелинейность шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля.

Для уменьшения влияния внешнего электрического поля применяется экранирование. В простейшем случае электростатический экран представляет собой слой электропроводящей краски на внутренних стенках корпуса прибора. Экран лучшего качества делают из латунной фольги.

Электростатические приборы изготавливают в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до 30 МГц. Ограничение рабочей частоты обусловлено собственной резонансной частотой входной цепи, определяемой входной емкостью прибора и индуктивностью вводов и подводящих проводов. Входная емкость для разных приборов составляет от 4 до 30 пФ и резонансная частота ─ от 50 до 180 МГц. Щитовые приборы выполняют со шкалами от 30 В до 3 кВ класса 1,0 и 1,5 на частоты до 1 МГц. Переносные — со шкалами от 30 В до 3 кВ класса 0,5; 1,0 и 1,5 на частоты до 30 МГц. Выпускаются высоковольтные вольтметры на 25 ÷ 75, 100 и 300 кВ класса 1,0 и 1,5 на частоты от 50 кГц до 5 МГц.

ЭС преобразователи в измерителях уровня и перемещений

Преобразователи с использованием зависимости C = f(г) применяют для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т. д.

На рис. 7.9, а показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С ₁ образован частью электродов и диэлектриком ‒ жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С ₀ — остальной частью электродов и диэлектриком ‒ воздухом. Емкость преобразователя

С = С ₁ + С 0 = [ l ∙ε + (l ₀ ‒ l)ε₀] 2 n/ln(R1/R2), (7.14)

где l ₀ — полная длина цилиндра; l — длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; ε — диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂— радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Рисунок 7.9—Схемы емкостных преобразователей

На 7.9,б изображен емкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости, который представляет собой остеклованный электрод 1. Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3.

Емкость зонда равна

С = 2π∙ε∙ l /ln(R ₁/ R ₂), (7 15)

где l ‒ глубина погружения; е ‒ диэлектрическая проницаемость стекла; R₁ и R₂ ‒ внешний и внутренний радиусы стеклянного покрытия.

Преобразователи с зависимостями C = f (S) и C = f (5) используют для измерения расстояний, перемещений и т. д.

Так для измерения малых перемещений используют конструкцию, представленную на рис.7.10. Здесь одна из пластин перемещается под действием измеряемой величины X относительно неподвижной пластины (рис. 7.10, а).

C = f(X)

Дата добавления: 2014-12-08