29. Измерительные цепи емкостных преобразователей с выходом на постоянном токе.

Емкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (10⁵-10⁷ Гц) их выходные сопротивления велики и равны X_C=1/(ω·C)=10³÷10⁷Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей, как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет емкость С_жэ между жилой и экраном (С 50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается на величину χ=ΔС₀/С₀- ΔС₀/(С₀+С_экв), и появляется погрешность, вызываемая нестабильностью емкости С_ж.э, т.к. любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости С₀. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразитных емкостей.

Кроме этого, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора ), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости ).

Для работы с емкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры-делители напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонансные контуры.Очень часто в состав современных измерительных цепей включают также операционные усилители (ОУ).

Схема цепи с ОУ, построенная по принципу делителя напряжения. В данном случае U_вых = U_τC₁/C₂. С помощью такой схемы удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂(U_вых=U_τ·[C_1·₂/₀·S₂]) или изменение площади конденсатора С₁(U_вых = U_τ·[₀·S₁/₁·C₂]). В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемой величины будет линейной. В схеме емкости экранированных проводов С_э1, С_э2, С_э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости С_э1 и С_э3 включены параллельно источнику сигнала U_τ и ОУ, имеющим низкие выходные сопротивления. Емкость же С_э2 включена параллельно входам ОУ, и напряжение на ней близко к нулю.

Дифференциальные емкостные преобразователи включаются преимущественно в мостовые измерительные цепи. Выходной сигнал в цепи (рис а) подан на вход повторителя напряжения, выполненного на ОУ. Если принять, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равно U_τ, то выходное напряжение равно U_вых=U_τ (C₁–C₂)/(С₁+С₂).

Емкости С_э2 и С_э2 экранированных проводов, соединяющих датчик с трансформатором, включены параллельно полуобмоткам трансформаторов и роли не играют. Для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего датчик с усилителем, применяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой цели используется провод с двойным экраном. Наружный экран присоединяется к земле, а внутренний - к выходу повторителя напряжения. Ток с центрального проводника на внутренний экран отсутствует, так как равны между собой напряжения в точках а и б относительно земли. Ток между внутренним и внешним экраном не сказывается на работе устройства, поскольку нагружает низкоомный выход повторителя напряжения.

Необходимость в двух экранах отпадает при подсоединии выхода моста к инвертирующему входу ОУ (рис б). Поскольку потенциал на этом входе усилителя весьма близок к нулю, то ток между проводом, присоединенным к этому входу, и окружающим его экраном будет практически равен нулю. Для цепи (рис б) верно соотношение U_вых=U_τ (C₁–C₂)/C₃.

На рис в, в показана модификация мостовой цепи при емкостном токосъеме с подвижной пластины. Обозначим емкости между неподвижными и подвижной пластинами индексом, соответствующим номеру неподвижной пластины. В плечо моста входят емкости С₁+С₅ и С₂+С₆. Через емкость С₃+С₄ подключена вершина измерительной диагонали моста к выходу ОУ. В результате выходное напряжение U_вых определится формулой U_вых=U_t[((C₁+C₅)-(C₂+C₆))/(C₁+C₂+C₃+C₄+C₅+C₆)]·[(C₁+C₅)/C_oc]. При перемещении пластины в направлении, указанном стрелкой, емкость С₁+С₅ увеличивается, емкость С₂+С₆ уменьшается, а емкость токосъема С₃+С₄ остается почти неизменной, т.к. емкость C₃ увеличивается, а емкость С₄ уменьшается.

В схеме, приведенной на рис г, показано, как с помощью охранных электродов улучшить характеристики емкостных преобразователей. Здесь емкостные преобразователи образованы пластинами 1,4 и 2,6. Пластины же 3,5,7 служат охранными электродами. Поскольку пластины 4 и 6 присоединены к инвертирующему входу ОУ, то напряжение на них весьма близко к нулю. Поэтому поле между пластинами 1 и 3, 4, 5, а также между пластинами 2 и 5, 6, 7 будет практически однородным.

Общим недостатком схем, приведенных на рис, является то, что они могут быть рекомендованы только для датчиков, у которых все пластины изолированы от корпуса, что иногда бывает трудно реализовать конструктивно. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рис.а

Тогда провода, идущие к вершинам а и б, могут быть без экранов, а емкость С_жэ провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.

На рис. представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика С₁ и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С₃. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (D₁, D₄ или D₂, D₃). При этом каждый из конденсаторов С₃ соединяется последовательно то с емкостью С₁, то с емкостью С₂. При неравенстве емкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут неравны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Значения U_вых определится соотношением U_вых2·U_τ [(C₁-C₂)/(С₁+С₂+2·1·С₂/С₃)].

Нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

Возможный вариант цепи, предназначенный для телеизмерений, показан, на рис б. Здесь по одному коаксиальному кабелю передается переменное напряжение U_τ от источника на датчик и постоянное напряжение U_вых - с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор C₃ и резистор R₁. Показанные на схеме значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.

На рис приведена измерительная цепь с резонансными контурами. Цепь питается от источников со стабильной частотой₀. При изменении емкости С преобразователя сопротивление контура изменяется по резонансной кривой и при достигает максимума. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R₂ по сравнению с сопротивлениями L и R₁ и полагая , , и , напряжение на контуре можно выразить соотношением:.