6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ

Принцип работы устройства, предназначенного для измерения высоких напряжений, основан на использовании в качестве чувствительного элемента конденсатора с жидким диэлектриком.

Рис. 6.12 Втягивание электрическим полем диэлектрика в область между обкладками конденсатора.

Механизм чувствительности такого устройства заключается в том, что диполи диэлектрика в электрическом поле испытывают силовое воздействие со стороны поля. Возникающие силы стремятся упорядочить диполи и приблизить их друг к другу. В результате этого под действием электрического поля жидкость втягивается в область между обкладками, что обусловливает ее подъем на определенную высоту () над общим уровнем:

(6.14)

Рис. 6.13 Зависимость высоты подъема диэлектрика в область между обкладками от напряженности электрического поля.

При приложении к обкладкам электрического напряжения возникают кулоновские силы:

(6.15)

Если преобразователь включает в себя диэлектрик и воздушную прослойку, то

(6.16)

Для измерения температуры используют специальные сплавы, характеризующиеся достаточно высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости (тиконд, тидол)

. (6.17)

Для измерения малых концентраций веществ в различных средах используют ёмкостные высокочастотные бесконтактные измерительные преобразователи, включённые в цепь колебательного контура.

Емкостные измерительные преобразователи широко применяются, например, для измерения уровня жидких и сыпучих сред.

Рис. 6.14 Емкостный датчик уровня: 1,2— электроды.

К достоинствам ёмкостных преобразователей можно отнести:

• высокую чувствительность;

• малые силовые воздействия;

• малые габаритные размеры;

• большой частотный диапазон;

• возможность работы в тяжёлых условиях.

Недостатки ёмкостных преобразователей связаны с тем, что они имеют:

• малую мощность сигнала;

• результаты измерений зависят от влажности, давления, напряжения и частоты электрического поля.

В настоящее время развивается направление диэлектрической электроники. Физическая сущность устройств такого типа заключается в следующем: при контакте металлов с диэлектриком в области контакта накапливаются заряды. Приходящие из металла в диэлектрик электроны создают объемный заряд, а приложенное напряжение создаёт ток в диэлектрике. Эмиссионные токи управляют процессами разделения зарядов.

Контрольные вопросы к главе 6

1. Какие факторы необходимо принимать во внимание при разработке емкостных измерительных преобразователей?

2. Приведите конструкцию дифференциального емкостного первичного преобразователя для измерения усилий.

3. Дайте сравнительную характеристику измерительных схем включения емкостных преобразователей.

4. В чем суть краевого эффекта в емкостных измерительных преобразователях?

5. Дайте объяснение нелинейной зависимости диэлектрической проницаемости материалов от частоты электрического поля.

6. Постойте графики зависимости диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков от напряженности электрического поля.

7. Как изменится диэлектрическая проницаемость газа при изменении его давления, температуры?

8. Каким образом диэлектрическая проницаемость материала зависит от его структуры?

9. Опишите принцип работы конденсаторного вольтметра.