4.10. Ємкісні перетворювачі

Принцип дії перетворювачів ємкостей заснований на залежності ємкості конденсатора від його геометричних розмірів, форми, відстані між його обкладаннями і від діелектричної проникності середовища. У перетворювачах ємкостей звичайно використовуються плоскопаралельні або циліндрові конденсатори. Живлення здійснюється від мережі змінного струму.

Ємкість плоскопаралельного конденсатора визначається виразом

(4.35)

де ε₀ — електрична постійна, рівна 8,85 • 10-12 Ф/м; ε_r — відносна діелектрична проникність середовища; S — площа обкладань; d — відстань між обкладаннями.

Як видно з (4.35), ємкість перетворювача залежить від S, d, ε_r. Кожна з цих величин може бути вхідною величиною перетворювача.

При зміні площі взаємного перекриття пластин ємкість змінюється по лінійному закону. Ємкісні перетворювачі із змінною площею перекриття використовуються як датчики кутових переміщень (мал. 4.48). В цьому випадку ємкість перетворювача рівна

(4.36)

де r₁ і r₂ — зовнішній і внутрішній радіуси обкладань; α₀ — початковий кут перекриття.

З (4.36) видно, що ємкість перетворювача змінюється по лінійному закону залежно від кута α. Датчики ємкостей застосовуються для вимірювання порівняно великих кутових переміщень. Відповідним вибором форми рухомої 1 і нерухомої 2 обкладок можна одержати задану функціональну залежність між зміною ємкості і кутовим переміщенням.

Із зміною відстані d між обкладками (рис. 4.49) ємкість конденсатора змінюється по гіперболічному закону:

При малих переміщеннях x << d можна нехтувати величиною (x/d)², тоді

де

Т аким чином, при малих переміщеннях ємкість перетворювача змінюється згідно із законом, близькому до лінійного. Перетворювачі ємкостей із змінною відстанню між обкладками застосовуються для вимірювання малих лінійних переміщень (до 1 мм).

Ємкісні перетворювачі, ємкість яких змінюється залежно від діелектричної проникності середовища, використовуються як датчики рівня, вологості, складу речовини і товщини діелектричних матеріалів.

Ємкість циліндрового перетворювача (рис. 4.50)

де l,d,D — геометричні розміри перетворювача.

Циліндрові перетворювачі застосовуються на судах як датчики рівня рідини. По конструктивних міркуваннях ємкість більшості перетворювачів складає 10 — 200 пФ. На низьких частотах опір перетворювачів ємкостей досягає декількох мегом і стає сумірним з опором ізоляції. Для зменшення опору перетворювачі ємкостей живлять від високочастотного джерела змінного струму (від одиниць кілогерц до десятків мегагерц). Навіть на високих частотах вихідний опір перетворювачів ємкостей великий і вихідна потужність мала, тому перетворювачі працюють з підсилювачами. Щоб зменшити вплив наведень, перетворювач підключають до підсилювача екранованим кабелем. Ємкість кабельної лінії негативно позначається на роботі перетворювача, знижуючи його чутливість і точність. Для зменшення впливу кабельної лінії схему перетворення вихідного сигналу перетворювача ємкості розташовують в безпосередній близькості від нього.

Коливання температури і вологості навколишнього середовища також роблять шкідливий вплив на роботу перетворювача ємкості, призводячи до змін d і εr. Для зменшення температурної погрішності обкладання перетворювачі виконують із сплавів з малим температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Для усунення впливу вологості застосовують герметизацію перетворювачів ємкостей. Перетворювачі ємкостей мають малу масу і габарити, володіють високою чутливістю. До недоліків перетворювачів ємкостей слід віднести необхідність посилення вихідного сигналу і захисту від впливу паразитних ємкостей, застосування високочастотного джерела живлення. Перетворювачі ємкостей практично безінерційні.