3.3. Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи основаны на преобразовании измеряемой физической величины χ в изменение электрической емкости С.

C=f(x).

Емкостные преобразователи можно классифицировать на преобразователи с перестраиваемой структурой (взаимное перемещение обкладок конденсатора, изменение количества и состава диэлектрика в промежутке между обкладками конденсатора под воздействием измеряемых факторов) и преобразователи с неизменной структурой (конфигурация конденсатора и состав и количество диэлектрика неизменны, а емкость меняется под воздействием измеряемого фактора).

Если в простейшем случае емкость представляет собой плоский конденсатор (рис.1), то, пренебрегая краевыми эффектами, величину емкости можно выразить через параметры конденсатора следующим соотношением:

где ε — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора; δ и S — соответственно расстояние между обкладками и площадь обкладок конденсатора.

Рис. 1. Емкостной преобразователь с переменным расстоянием между обклад­ками.

Отсюда видно, что вариация емкости может быть получена вариацией любого из параметров конденсатора, либо их комбинации. Варианты таких раздельных преобразований следующие.

• Преобразование физической величины в изменение расстояния между обкладками:

x→δ→C.

На этом принципе строятся разные варианты датчиков малых перемещений и тех физических параметров, которые сводимы к малым перемещениям (мембранные датчики давлений и т.д.).

Конструктивная реализация таких преобразователей сводится к перемещению по нормали одного электрода относительно другого неподвижного, либо двух неподвижных в случае дифференциальной схемы измерений (рис. 2).

Рис. 2. Дифференциальный емкостной преобразователь с переменным рас­стоянием между обкладками.

• Преобразование физической величины в изменение активной площади обкладок конденсатора:

x→S→C.

Такое преобразование реализуется либо при тангенциальном взаимном перемещении обкладок плоского конденсатора (без изменения зазора), либо при повороте на определенный угол одной обкладки относительно неподвижной при коаксиальной конструкции конденсатора (рис.3). На этом принципе могут строиться датчики малых перемещений, датчики угла поворота, момента сил и т.д. Формируя конфигурацию обкладок, можно корректировать функцию преобразования датчика.

Рис. 3. Емкостной преобразователь с переменной активной площадью обкла­док.

• Преобразование физической величины в изменение количества или

состава диэлектрика между обкладками конденсатора:

х→ε→C.

На этом принципе строятся датчики для измерения концентрации определенных веществ либо содержания газообразной фазы в жидкой (сплошность), влажности воздуха и сыпучих тел, уровня жидкости (рис.

толщин диэлектриков (бумага и т.д.) (рис.5) или влажности диэлектрика (бумага) при неизменной ее толщине и т. д.

Рис. 4. Емкостной преобразователь с переменным составом диэлектрика.

Рис. 5. Емкостной преобразователь с переменной толщиной диэлектрика.

Для емкостного уровнемера (рис.4) емкость конденсатора образуется двумя параллельно включенными конденсаторами с заполнением жидкостью на высоте l и парами на высоте L - l. Обкладки конденсатора образованы двумя коаксиальными трубами радиусами R и r. Диэлектрическая проницаемость жидкости ε₂, паров ε₁. Емкость датчика

Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха составляет 8,85x10^-12 Ф/м.

Диэлектрики по величине диэлектрической проницаемости подразделяются на полярные (ε>12 — вода, спирты, ацетон и др.), слабополярные (3<ε<6), неполярные (ε<3 — масла, нефтепродукты и их производные, криогенные продукты). У чистых газов (азот, кислород, водород) ε≈1.

При измерении толщины диэлектриков δ₂ (рис.5) либо ее вариации (при протяжке ленты между обкладками конденсатора) емкость конденсатора

Зазор δ₁ — δ₂ чаще всего — воздушный промежуток.

К емкостным преобразователям с перестраиваемой структурой могут быть отнесены варикапы, используемые для измерения или регулирования температуры в небольшом температурном интервале.