2.1.3. Емкостные чувствительные элементы с изменяемой диэлектрической проницаемостью зазора

Этот принцип преобразования значения в С при пол­ном заполнении зазора диэлектриком для плоских и цилиндрических электродов представлен формулами (2.2) и (2.10). Такие ЧЭ при­меняют для определения состава заполняющего зазор газообразно­го, жидкого или сыпучего вещества. При одинаковой толщине ци­линдрические электроды жестче плоских, но цилиндрическая форма может замедлить движение диэлектрика в зазоре при обновлениях диэлектрика. Для повышения чувствительности зазор следует умень­шать, но при d < 5 мм обновление диэлектрика в зазоре за­медляется из-за вязкости жидкостей.

Заполнение зазора по толщине может быть частичным, например, при измерениях толщины пластмассовой пленки с известным значени­ем ее диэлектрической проницаемости или при измерении диэлектри­ческой проницаемости пленки с известной толщиной. Преобразования эти нелинейные.

Широко применяются емкостные ЧЭ для измерения уровня за­полнения зазора вдоль неподвижных пластин непроводящей жид­костью. В этом случае емкость ЧЭ представляет собой сумму ем­кости с заполнением зазора жидкостью и емкости с воздушным за­полнением, причем обе составляющие и суммарная емкости при пос­тоянстве размеров горизонтальных сечений ЧЭ изменяются линейно в зависимости от высоты жидкости. Так устроены много лет прак­тикуемые авиационные емкостные топливомеры.

ЧЭ в виде "открытого" конденсатора, у которого электродами являются кольцо и в нем диск, изменяет свою емкость при прибли­жении к металлическому или пластмассовому объекту на расстояние в несколько миллиметров и применяется в робототехнике для очув­ствления в ближней зоне.

2.2. Электростатические измерительные механизмы и электрометры

Силы, создаваемые ЭС преобразователями, чрезвычайно малы. Однако ЭС преобразователи обладают рядом ценных качеств, которые обусловливают их применение в вольтметрах.

Во-первых, вращающий момент пропорционален квадрату напряжения как постоянного, так и переменного тока, т.е.

,

где –угол поворота подвижной части; – диэлектрическая проницаемость воздуха. Уменьшение напряжения на пластинах преобразователя и, следовательно, частотная погрешность начнут проявляться только на частотах, при которых заметно падает напряжение на сопротивлении ввода

.

Сопротивление незначительно, и им можно пренебречь. Поэтому частотная погрешность может быть оценена выражением

.

Во-вторых, ЭС преобразователь, обладая высоким входным сопротивлением, потребляет малую мощность: на постоянном токе его входное сопротивление Ом, на переменном токе . Если учесть, что входная емкость преобразователя не превышает 10…100 пФ, его сопротивление даже при частоте = 1 МГц составляет не менее 10…1 кОм.

Шкала электростатических приборов - нелинейная, линеаризации шкалы добиваются выбором специальной формы электродов. Для приборов с меняющейся площадью шкала будет близка к линейной, если удастся выбрать форму электродов так, что в рабочем диапазоне .

Электрометры. Схематическая конструкция и эквивалентная схема электрометра показаны на рис.2.4,а и б. ЭС преобразователь электрометра состоит из четырех попарно соединенных неподвижных электродов 2 и 3 и находящегося между ними подвижного электрода 1. Система электродов окружена экраном 4. Измеряемое напряжение подключается между электродом 1 и экраном 4. Источники дополнительного напряжения подключаются к его неподвижным электродам 2 и 3 и общей шине, соединенной с экраном. Емкостные связи между отдельными элементами системы электродов показаны на рис.2.4,б.

Учитывая, что емкости между неподвижными электродами С₂₃ и С₃₂, а также между неподвижными электродами и корпусом С₂₄ и С₃₄ остаются неизменными.

а) б)

Рис.2.4

Емкость между подвижным электродом и экраном С₁₄ мала, так как они разделены неподвижными электродами. Производные и противоположны по знаку, и погрешность равна .

Таким образом, электрометр может быть использован в качестве множительного преобразователя, если задать и , в) чувствительность электрометра к напряжению можно повышать путем увеличения напряжения U₀ однако при этом возрастает погрешность электрометра от несимметрии электродов.