16.1.5 Емкостные преобразователи

Эти преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Электрическая емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле (16.6) /14/

С = , (16.6)

где - диэлектрическая постоянная;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;

S - активная площадь обкладок;

δ - расстояние между обкладками.

Отсюда следует, что в емкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть либо δ, либо S, либо .

На рисунке 16.6 схематически изображены различные типы емкостных преобразователей.

Преобразователь на рисунке 16.6а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние δ между пластинами. Функция преобразования C= f(δ) нелинейна, причем чувствительность возрастает с уменьшением δ. Минимальное значение δ определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). На рисунке 16.6б показан дифференциальный емкостный преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Дифференциальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейности или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Рисунок 16.6 - Емкостные преобразователи

Преобразователь на рисунке 16.6в также имеет дифференциальную конструкцию, но в нем происходит изменение активной площади пластин. В таком преобразователе можно получить необходимую функцию преобразования путем профилирования пластин.

На рисунке 16.6г изображен емкостный преобразователь для измерения уровня жидкости. Емкость между электродами зависит от уровня жидкости, так как диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.

Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что позволяет увеличить мощность выходного сигнала и снизить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.

К ондуктометрические преобразователи основаны на использовании зависимости сопротивления электрохимического преобразователя от состава и концентрации электролита. Такие преобразователи используются главным образом для измерения удельной электропроводности электролитов, по которой судят о концентрации. При этом необходимо учитывать, что электропроводность электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, что требует обязательного введения соответствующей температурной поправки.

Рисунок 16.7 - Контактный кондуктометрический преобразователь

Кондуктометрические преобразователи для измерения концентрации растворов делятся на контактные и бесконтактные. Простейший контактный кондуктометрический преобразователь (рисунок 16.7 а) содержит два электрода, погруженных в исследуемый электролит. Сопротивление между электродами зависит от концентрации (проводимости) раствора. Электроды могут быть плоскопараллельными, цилиндрическими или точечными и изготовляются из платины, графита, нержавеющей стали или других материалов, химически стойких к исследуемым растворам.

При прохождении через преобразователь постоянного тока происходит электролиз раствора, что приводит к значительным погрешностям измерений. Поэтому измерение сопротивления между электродами обычно проводят на переменном токе.

Для уменьшения погрешности от поляризации и загрязнения электродов иногда используют четырехэлектродные преобразователи (рисунок 16.7 б). Пара электродов 1-1 (токовые электроды) подключается к внешнему источнику тока. При этом в растворе протекает стабильный ток, а между электродами 2-2 (потенциальными электродами) создается разность потенциалов, пропорциональная удельному сопротивлению раствора. Потенциальные электроды подключаются к усилителю напряжения с достаточно высоким входным сопротивлением. Обычно такой преобразователь также работает на переменном токе.

Бесконтактные кондуктометрические преобразователи не имеют контакта металлических электродов с электролитом, что исключает эффект поляризации, загрязнение электродов и другие отрицательные явления, возникающие при взаимодействии электродов и раствора.

Бесконтактные преобразователи делятся на низкочастотные (f <50 кГц) и высокочастотные. На рисунок 16.8а иллюстрируется принцип действия низкочастотного трансформаторного преобразователя. Исследуемый раствор образует замкнутую вторичную обмотку трансформатора, сопротивление которой определяется концентрацией раствора. Изменение концентрации вызывает изменение, сопротивления потерь, вносимого в первичную обмотку w\ трансформатора. Измерение эквивалентных параметров первичной обмотки позволяет определить концентрацию раствора.

Преобразователь на рисунок 16.8б содержит два трансформатора, причем замкнутый виток исследуемого раствора является вторичной обмоткой первого трансформатора и первичной обмоткой второго. Первичная обмотка w\ питается от источника переменного напряжения. При этом ток в витке электролита пропорционален его проводимости; соответственно проводимости электролита оказывается пропорциональна и ЭДС U_вых на обмотке .

Описанные бесконтактные преобразователи характеризуются более высокой стабильностью характеристик и меньшей погрешностью, чем контактные.

Высокочастотные бесконтактные преобразователи делятся на емкостные, которые применяются для измерения концентраций растворов с малой электропроводностью (10^-6-1См/м), и индуктивные - для растворов с электропроводностью 10^-2-10² См/м.

а) б)

Рисунок 16.8 - Бесконтактные кондуктометрические преобразователи

В преобразователях погружного типа катушка индуктивности или электроды конденсатора помещаются в трубку и изолированы от исследуемого раствора. Влияние проводимости раствора проявляется во внесении потерь в индук­тивность или конденсатор, т.е. в изменении активной составляющей их комплексной проводимости на высокой частоте. Такие преобразователи обычно включаются в резонансный контур, у которого меняется добротность, или в контур автогенератора, у которого изменяется частота генерации.

Преобразователи излучений. В преобразователях излучений выходная электрическая величина функционально связана с характеристиками излучения. В зависимости от вида излучения различают оптоэлектрические и ионизационные преобразователи.

Оптоэлектрический преобразователь измеряемой величины х₁ или х₂ в выходную электрическую величину у (рисунок 16.9) содержит источник излучения ИИ потока Ф₁, некоторый оптический канал ОК и прием-пик излучения ПИ, воспринимающий поток и преобразующий его в электрическую величину «у».

Воздействие измеряемой величины х на поток излучения Ф₂ может осуществляться двумя путями. В первом случае измеряемая величина х₁ (рисунок 16.9) воздействует непосредственно на источник излучения и изменяет тот или иной параметр излучаемого потока Ф₁. Во втором случае измеряемая величина х₂ модулирует соответствующий параметр потока Ф₂ в процессе его распространения по оптическому каналу.

В оптоэлектрических преобразователях используется оптическое излучение видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазона. Источниками излучения могут служить лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. В качестве приемников излучения чаще всего применяются фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Следует отметить, что фотоэлементы являются генераторными преобразователями, а фотодиоды могут быть генераторными или параметрическими преобразователями.

Оптоэлектрические преобразователи используются для бесконтактных измерений разнообразных физических величин. Чаще всего под действием измеряемой величины изменяется интенсивность излучения, например, вследствие изменения температуры излучателя, изменение поглощения или рассеяния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью оптического хода этих лучей, частота и длина волны излучения, генерируемого источником. Соответственно структурные схемы оптоэлектрических преобразователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и углов поворота плоскости колебаний (плоскости поляризации) и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

Рисунок - 16.9 Структурная схема оптоэлектрического преобразователя

Рисунок – 16.10 Структурная схема прибора для измерения толщины листа

В ионизационных преобразователях используются различные виды ионизирующих излучений: -, -, - излучение, реже - нейтронное и рентгеновское излучения. Источниками излучений служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки. В качестве приемников излучений применяют ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные счетчики.

Ионизационные преобразователи служат для измерения интенсивности ионизирующих излучений, геометрических размеров (например, толщины стенки детали), перемещений, концентрации веществ и т. д.