29.Эквивалентная схема электростатического преобразователя.
Схематическая конструкция одного из видов электростатического преобразователя изображена на рис.а.
Рис.а)
Эквивалентная схема такого преобразователя приведена на рис.б.
Рис.б)
В эквивалентной схеме учитывается емкость С0 между электродами 1 и 2, сопротивление изоляции между электродами Rут, сопротивление r и индуктивность L кабеля К, а также паразитная емкость Сп между электродами и заземленными деталями конструкции и между жилой кабеля К и его заземленным экраном Э. Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода r не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает и большую роль начинают играть индуктивность L и сопротивление ввода r, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки Rут перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя, изображенная на рис.в.
Рис.б)
Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответственной добавкой сопротивления rэкв
Действие индуктивности
токоподводов начинает сказываться
обычно на частотах свыше 10МГц. В
эквивалентной схеме электростатического
преобразователя с диэлектриком должны
быть учтены потери в диэлектрике. Из-за
потерь в электростатическом преобразователе
сдвиг фаз между напряжением и током
оказывается меньше
на угол потерь δ. Последовательная и
параллельная схемы, учитывающие потери
в диэлектрике представлены на рис.г.
Рис.г)
Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочниках tgδ:
С1экв и С2экв связаны между собой выражением:
и так как обычно tgδ<<1, их можно считать приблизительно равными
В образцовых воздушных конденсаторах tgδ не превышает 5·10-5 , так как определяется только потерями изоляции между электродами и материале электродов. В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и кроме того может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности, в частности зависимость от влажности настолько существенна, что на этом принципе строятся измерители влажности зерна м некоторых других сыпучих материалов. В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение некоторого времени 0,1÷2с сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельной емкости С0 в цепочке, состоящей из емкости Са и сопротивления Rа , поэтому полная эквивалентная схема может быть представлена в виде (рис.д.).
Рис.д)
При работе электростатических преобразователей на постоянном токе нужно учитывать существующую между электродами контактную разность потенциалов (КРП), включаемую в эквивалентную схему последовательно с емкостью С0 . КРП зависит от природы материалов, свойств и чистоты поверхностей и существует даже между электродами, выполненными из одного и того же материала. Так между электродами, выполненными из алюминия высокой чистоты, КРП может достигать 1В. Лишь применение специальных мер позволяет снизить КРП до значения 10÷20мВ.
30.Допустимое напряжение на конденсаторе.
Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при котором наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1 – 10 мм эта напряженность составляет 2 – 3 кВ/мм. При зазорах меньших 0,1мм можно не снижать напряжение, т.к. при напряжениях меньших 350В воздушный промежуток вообще не пробивается независимо от длины зазора.
В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d = 25мм в зазоре δ = 0,1 мм и напряжении U = 50В значение электростатической силы равно:
В дифференциальном преобразователе с переменным зазором (см. далее) силы, действующие между парами пластин направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако, полная компенсация возможна, если входное сопротивление цепи, включенное в диагональ моста бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами. Сила, действующая между ними, остается неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.
Зависимость емкости от внешних условий.
γс = γε + γs - γδ - относительное изменение емкости
Площадь S, как правило, определяется линейными размерами, составляющими 10 – 100 мм и изменением этих размеров на 0,1 – 1 мкм вызывает пренебрежимо малое изменение площади S и емкости С. Зазор δ в электростатических преобразователях составляет 10мкм – 1 мм и его изменения даже на 0,1мкм могут вызвать существенную погрешность. Поэтому при конструкции электростатических преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов каких либо осадков (герметизация, вакууммирование и т.д.). Одной из основных причин изменения зазора является изменения геометрических размеров, вызываемые линейным расширением материалов под действием температур. В качестве примера на рис.а показан емкостной преобразователь для измерения давления.
Рис.а)
Подвижной пластиной 1 преобразователя служит мембрана, припаянная к латунному корпусу, который ввинчивается в полость, где измеряется давление. Неподвижная пластина 2 выполнена в виде тонкой медной фольги, наклеенной на кварцевый изолятор. Зазор между пластинами составляет 20мкм. Толщина кварцевой пластины 3мм. Коэффициент линейного расширения для латуни 18,9·10-6 К-1, для кварца 0,5·10-6 К-1.
Увеличение зазора при увеличении температуры на 1 0С составляет:
Δδ = (18,9 ÷ 5) · 10-6·3·10-3 = 55,2·10-9м = 0,05мкм
Полагая, что изменение зазора при действии номинального давления равно 10мкм, можно оценить приведенную температурную погрешность значением 0,005 К-1. Очевидно, что погрешность слишком велика и конструкцию датчика, несмотря на ее простоту, нельзя признать удачной.
Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий. При изменении температуры на 100С γε = 0,002%. При изменении влажности от 30 до 40% γε = 0,01%, при изменении давления на 105 Н/м2 γε = 0,06%. Стабильными диэлектриками являются также плавленый кварц (γε = 5· 10-6 К-1 ) и стекло. Диэлектрическая проницаемость ряда керамик, в особенности сегнетокерамик, наоборот сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления. На основе сегнетокерамичеких материалов выпускаются различные типы варикондов – переменных конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от приложенного напряжения, используемых в схемах допускового контроля напряжения, а также сегнетокерамические преобразователи, реле контроля температуры.
Достоинства сегнетокерамических преобразователей – малое потребление мощности ( сопротивление между электродами на постоянном токе 108 - 109 Ом) и следовательно, малый самонагрев.
Недостатками, мешающими широкому использованию в измерительных цепях, являются плохая воспроизводимость характеристик у различных образцов и критичность к влиянию внешних факторов. Например, характеристики варикондов зависят от температуры, а температурные характеристики реле контроля температуры зависят от напряженности поля.