4.5.2. Погрешности емкостных пип

К погрешностям ЕИП относятся: 1) погрешности, обусловленные зависимостью емкости преобразователя от внешних условий, например температуры окружающей среды; 2) погрешность, обусловленная паразитными токами утечки; 3) погрешность, обусловленная влиянием паразитных емкостей.

Изменение температуры приводит к изменению диэлектрической проницаемости  диэлектрика и линейных размеров электродов и диэлектрика. Разные конструктивные элементы преобразователя имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения (у металлов _l = (15–30)^.10^-4 К^-1; кварц имеет _l = 0,5^.10^-6 К^-1, у органических диэлектриков _l = (50–100)10^-4 К^-1), что приводит к изменению площади электродов и расстояния между ними при изменении температуры.

Площадь Q для большинства ЕИП определяется линейными размерами 10–100 мм, и изменение этих размеров дает пренебрежимо малую погрешность [15].

Расстояние между электродами обычно составляет от 10 мкм до 1 мм и его изменение под действием температуры может привести к большой погрешности. Эта погрешность может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.

Номинальная емкость ЕИП обычно составляет единицы – сотни пикофарад. На низких частотах сопротивление преобразователя достигает больших значений, что приводит к возникновению погрешности, обусловленной паразитными токами утечки. Для уменьшения этой погрешности увеличивают частоту напряжения питания до нескольких килогерц и даже мегагерц.

В ЕИП, кроме собственной емкости преобразователя, присутствуют емкости между электродами и заземленными деталями конструкции, между жилой соединительного кабеля и его заземленным экраном, которые приводят к появлению погрешности, обусловленной влиянием паразитных емкостей. Причем параметры кабеля могут изменяться. Для уменьшения этой погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи преобразователя. Как следует из вышеизложенного, область применения емкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например, давлений.

Начальный зазор ЕИП может достигать 5–10 мкм, емкость большинства ЕИП составляет значение 10–100 пФ [15]. Достоинствами ЕИП являются: 1) принципиальное отсутствие шумов; 2) отсутствие самонагрева; 3) простота конструкции, малая масса и габариты; 4) возможность соответствующим выбором формы подвижного и неподвижного электродов получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным линейным или угловым перемещением; 5) малая сила притяжения электродов; 6) возможность применения как для статических, так и для динамических измерений. К недостаткам емкостных преобразователей можно отнести: 1) малую емкость и высокое выходное сопротивление преобразователя; 2) зависимость результата измерения от изменения емкости кабеля.

4.5.3. Измерительные цепи емкостных датчиков

Существует множество различных измерительных цепей емкостных преобразователей. Наиболее распространенными являются измерительные цепи: в виде делителя напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, контурные цепи [15].

Цепь в виде делителя напряжения представлена на рис. 4.24а. Одинарный емкостный ИП может быть включен в качестве С₁ или С₂. В случае дифференциального ИП его емкости образуют оба плеча делителя. При равенстве произведений R1C1 = R2C2, где R1 и R2 – сопротивления изоляции преобразователя, напряжение на выходе делителя в широком частотном диапазоне питающего напряжения определяется выражением

U_ВЫХ = U_~C1/ (C1 + C2). (4.67)

Погрешность такой цепи зависит от погрешностей ЕИП, погрешностей из-за нестабильности напряжения питания и погрешности указателя.

Очень часто емкостные ИП включаются в мостовые измерительные цепи. На рис. 4.24б приведена схема мостовой цепи, в одно плечо которой включен емкостный преобразователь С₁, во второе плечо включен переменный конденсатор С_п. Для исключения влияния паразитных емкостей датчика его экранирующий электрод 1 соединяется со средней точкой трансформатора, входящего в состав моста. С помощью переменного конденсатора С_п устанавливаем выходное напряжение мостовой цепи U_вых = 0. В этом случае экран имеет потенциал земли. Так как паразитная емкость включена параллельно верхней половине вторичной обмотки трансформатора моста, то она не влияет на условие равновесия моста.

Мостовые измерительные цепи используются преимущественно с дифференциальными преобразователями. На рис. 4.24в показан вариант выполнения мостовой цепи, в которой дифференциальный ЕИП (С1 – С2) включён в соседние плечи моста, в другие плечи моста включены низкоомные резисторы R1 и R2. Две паразитные емкости между жилами и экранами кабелей шунтируются малыми сопротивлениями R1 и R2 нерабочих плеч моста и практически не влияют на работу мостовой схемы. Обычно выходной сигнал цепи подается на усилитель и для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего ЕИП с усилителем, применяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой цели используются провода с двойным экраном.

На рис. 4.25а показана схема с использованием операционного усилителя (ОУ), построенная по принципу делителя напряжения. Выходное напряжение U_ВЫХ = U_~C1/C2. Емкостный преобразователь может быть включен вместо C₁ или C₂ в зависимости от того, на каком принципе построен ЕИП и какую функцию преобразования измерительной цепи необходимо реализовать. В данной схеме паразитные емкости С_П1 - С_П2 практически не влияют на работу измерительного устройства. Емкости С_П1 и С_П3 шунтируются низкими выходными сопротивлениями источника напряжения U_~ и усилителя. Емкость С_П2 включена между входами ОУ и напряжение на ней близко к нулю.

а б в

Рис. 4.24

В настоящее время очень часто измерительные цепи содержат операционные усилители.

а б

Рис. 4.25

При подсоединении выхода моста к инвертирующему входу ОУ (рис. 4.25б) необходимость в двух экранах отпадает. Выходное напряжение

. (4.68)

Недостатком рассмотренных схем является то, что они могут использоваться для ЕИП, у которых все пластины изолированы от корпуса. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком.

При работе дифференциального преобразователя с заземленной пластиной может использоваться емкостно-диодная измерительная цепь, показанная на рис. 4.26а. Если пренебречь падением напряжения на диодах, то выходное напряжение можно найти по формуле

. (4.69)

Если не предъявляется высоких требований к линейности характеристики преобразования, то в качестве измерительных цепей ЕИП могут быть использованы цепи резонансного L - C контура (рис. 4.26б), питаемого от генератора со стабильной частотой. При изменении емкости преобразователя сопротивление контура изменяется, при этом изменяется выходное напряжение, которое достигает максимума при частоте . На резонансной кривой может быть выбран участок, близкий к линейному. ПренебрегаяR2 (R2 много меньше чем R1 и ωL) и полагая С= С ±ΔС, , и ,напряжение на контуре можно выразить соотношением [15]

. (4.70)

а б в

Рис. 4.26

При измерении физических величин с помощью емкостных ИП широко используются измерительные цепи с преобразованием емкости в частотно-временные сигналы. На рис. 4.26в показана одна из подобных цепей с использованием ОУ. Функция преобразования данной схемы имеет вид

. (4.71)

Для линейного преобразования емкости С1 в качестве выходной величины необходимо принять период Т_Х. Влияние паразитных емкостей С_П1 и С_П2 в этой схеме мало.

4.6. Термоэлектрические ПИП

Принцип действия термоэлектрических датчиков основан на эффекте Зеебека.Термоэлектрические датчики относятся к пассивным датчикам, так как они не требуют внешнего источника питания, они сами вырабатывают ЭДС. Эффект Зеебека и свойства термопар рассмотрены в п. 3.1.4.