6. Емкостные измерительные преобразователи. Назначение и классификация. Принцип действия, схемы включения и характеристики. Достоинства и недостатки.
Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь пластины; δ - толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.
Из приведенного соотношения видно, что на емкость конденсатора можно влиять изменением площади перекрытия пластин S (рис. 5.13, а), расстояния между ними 8 (рис. 5.13, б), диэлектрической проницаемости е вещества, находящегося в зазоре между обкладками конденсатора (рис. 5.13, 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 диэлектриком между пластинами и без него.
Емкостный плоскопараллельный измерительный преобразователь с изменяемой площадью перекрытия S(cu. рис. 5.13, а) описывается уравнением преобразования
где а - ширина пластин конденсатора; X - длина перекрытия электродов.
Емкостные преобразователи перемещения с переменной площадью перекрытия (рис. 5.14) используют и для измерения угловых величин. В этом случае емкость измерительного преобразователя
а чувствительность
где r2, r1 - соответственно наружный и внутренний радиусы пластин; φ, φ0 - соответственно текущий (измеряемый) и начальный углы перекрытия пластин.
Из выражений (5.12) и (5.13) видно, что все входящие в них величины, кроме измеряемых X или φ, постоянны, т.е. статическая характеристика такого емкостного датчика линейна (см. рис. 5.13, а).Преобразователи такого типа применяют для измерения сравнительно больших (до десятков сантиметров) перемещений.
Емкостный плоскопараллельный преобразователь перемещения с изменяющимся воздушным зазором(см. рис. 5.13, б) имеет нелинейную характеристику. Изменение его емкости описывается уравнением
где δ0 - начальный зазор; X - перемещение пластины.
В связи с нелинейностью статической характеристики такие датчики применяют для измерения относительно малых перемещений, обычно не более 0,1δ 0.
Преобразователи с изменяемой диэлектрической проницаемостью среды е между электродами (см. рис. 5.13, в) 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.
Для повышения чувствительности и линейности характеристик используют дифференциальные преобразователи, у которых изменение состояния контролируемой величины приводит к изменению емкости одновременно двух чувствительных элементов, включаемых в разные плечи мостовой измерительной схемы. В этом случае получают реверсивную (двухтактную) статическую характеристику. При изменении направления перемещения подвижного элемента выходной сигнал преобразователя изменяет свою фазу на 180° 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 5 между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды (для воздуха, например, напряженность электрического поля не должна превышать 105 В/м) и наличием силы электростатического притяжения пластин
Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Уменьшить погрешности можно, используя конструкционные материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, или с помощью герметизации датчиков.
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 токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния выходной цепи на измерительную.
Недостатки емкостных измерительных преобразователей состоят в относительно низком уровне выходной мощности сигналов, нестабильности характеристик при изменении параметров окружающей среды, влиянии паразитных емкостей.