Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора определяется соотношением

C=ee₀S/d,

где e - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; e₀ -диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь пластины; d - толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.

Рис.9.13

Как видно, на емкость конденсатора можно влиять изменением площади перекрытия пластин (рис. 9.13, а), расстояния между ними d (рис. 9.13,б), диэлектрической проницаемости вещества, находящегося в зазоре между обкладками конденсатора e (рис. 9.13, в). Выбор того или иного изменяемого параметра зависит от характера измеряемой величины.

Емкостные преобразователи используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности, концентрации и др. Конструктивно они могут быть выполнены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми электродами, с наличием или отсутствием диэлектрика между пластинами.

Емкостной плоскопараллельный измерительный преобразователь с изменяемой площадью перекрытия S описывается уравнением преобразования

C=ee₀ax/d, (9.6)

где а - ширина пластин конденсатора; х - длина перекрытия электродов (рис.9.13,а).

Емкостные преобразователи перемещения с переменной площадью перекрытия используют и для измерения угловых величин (рис. 9.14). В этом случае емкость измерительного преобразователя

- (9.7)

а чувствительность

где r₂ и r₁ - наружный и внутренний радиусы пластин; j₀ - начальный угол перекрытия пластин.

Рис. 9.14

Из выражений (9.6) и (9.7) видно, что все входящие в них величины, кроме измеряемых х или j, постоянны, т. е. статическая характеристика такого емкостного датчика линейна (см. рис. 9.13 а). Преобразователи такого типа применяют для измерения сравнительно больших (до десятков сантиметров) перемещений.

Емкостной плоскопараллельный преобразователь перемещения с изменяющимся воздушным зазором (см. рис. 9.13,б) имеет нелинейную характеристику. Изменение его емкости описывается уравнением

C_X=ee₀S/(d₀-x),

а коэффициент преобразования

K= - ee₀S/(d₀-x)²,

где d₀ - начальный зазор; х— перемещение пластины.

В связи с нелинейностью статической характеристики такие датчики применяют для измерения относительно малых перемещений, обычно не более 0,1d₀.

Преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды ε между электродами (рис.9.13,б) широко используют для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации и т. п. Они имеют линейную статическую характеристику.

Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используют для создания соответствующих измерительных преобразователей. Изменение проницаемости под воздействие температуры описывается выражением

e_T=e₀(1+aDT),

где e_T - диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т; e₀- диэлектрическая проницаемость при температуре Т_о; a - температурный коэффициент; DT=T- Т_о.

Аналогичный вид имеет и зависимость изменения диэлектрической проницаемости материала от приложенного к нему усилия Р

e_P=e(1+K_SMDP),

где K_SM - чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости; K_SM=(De/e)DP.

Для повышения чувствительности и линейности характеристик используют дифференциальные преобразователи, у которых изменение состояния контролируемой величины приводит к изменению емкости одновременно у двух чувствительных элементов, включаемых в разные плечи мостовой измерительной схемы. В этом случае получаем реверсивную (двухтактную) статическую характеристику. При изменении направления перемещения подвижного элемента выходной сигнал преобразователя изменяет свою фазу на 180°С по отношению к фазе напряжения питания датчика, являющегося опорным напряжением.

Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжение повышенной частоты - от 1•10³ до 10⁸ Гц. Это один из существенных недостатков подобных преобразователей.

Начальная емкость преобразователя тем больше, чем меньше зазор δ между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды (для воздуха, например, напряженность электрического поля не должна превышать 10 кВ/см) и наличием силы электростатического притяжения пластин

F=-(1/2)U²(ee₀S/d²).

Один из возможных способов уменьшения силы притяжения пластин использование дифференциальных преобразователей, на подвижную часть которых действуют электростатические силы противоположных направлений.

При проектировании емкостных преобразователей следует учитывать паразитные емкости С_пар, создаваемые конструктивными элементами и соединительными проводами, которые шунтируют емкость С_о преобразователя и могут значительно уменьшить его чувствительность. Относительное изменение емкости цепи С_э, состоящей из параллельно соединенных емкостей С_о и С_пар, вызванное изменением емкости С_о,

Отсюда следует, что чувствительность преобразователя при прочих равных условиях будет тем меньше, чем больше отношение С_пар/С₀. Кроме того, с увеличением этого отношения растут дополнительные погрешности, так как емкость С_пар изменяется под действием внешних факторов [4].

Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Уменьшить погрешность можно, используя конструкционные материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, или с помощью герметизации датчиков.

Емкостные измерительные преобразователи являются практически безинерционными элементами с передаточной функцией W(P)=K, поскольку частота питания датчика на два порядка и более превышает частоту входного измерительного сигнала [5].

К достоинствам емкостных измерительных преобразователей можно отнести простоту конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъёмных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счёт выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.

Недостатки ёмкостных измерительных преобразователей состоят в относительно низком уровне выходной мощности сигналов, нестабильности характеристик, при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных ёмкостей.

Для того чтобы уменьшить потери ёмкости выходного сигнала применяют согласованные нагрузки с внутренним сопротивлением измерительной схемы. Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика, т.е. схему настраивают в резонанс.

Дата добавления: 2014-01-04