2. Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек- трической величины.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой

C ₀S / ,

(4.1)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная воздуха, равная 8,85 · 10 ^-12 Ф/м; ε –относительнаядиэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; S – площадь обкладки; δ – рас- стояние между обкладками.

Так как измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана с любым из этих параметров, то устройство емкостных преобразователей может быть самым различным в зави- симости от области применения. При измерении уровней жидких и сыпучих тел находят применение цилиндрические илиплоскиекон- денсаторы. Для измерения малых перемещений, быстроизменяю- щихся сил и давлений применяются дифференциальные емкостные преобразователи с переменным зазором между обкладками. Рас- смотрим принцип использования емкостных преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.

Емкостный уровнемер. На рис. 4.11 показано устройство ем- костного преобразователя для измерения уровня. Емкостный уровнемер представляет собой коаксиальный конденсатор.

Его электроды 1 и 2 изолированы один от другого. Емкость такого преобразователя С может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов; один из них С1 образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уро- вень которой измеряется, а другой С2 – остальной частью элек- тродов и диэлектриком – воздухом:

C C C

l( l ) ^2 ,

(4.2)

1 2 0

⁰ ln( R₁ / R₂ )

где l₀ – полная длина преобразователя, м; l – длина преобразова- теля, заполненного жидкостью, м; ε₀ – электрическая постоянная воздуха, Ф/м; ε – диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров,м.

В измерительную цепь

2 ₁

С2

С1

Рис. 4.11. Емкостный уровнемер: 1,2 – электроды

Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобразова- теля емкость его будет изменяться в функции от уровня.

Толщиномер. На рис. 4.12 представлен принцип действия ем- костного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из ди- электрика (например, резины).

2 ^{В измерительную} цепь

1

Рис. 4.12. Емкостный толщиномер: 1 – обкладки конденсатора; 2 –лента

Лента протягивается между обкладками 1 конденсатора, и в зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая прони-

цаемость межэлектродного пространства. Если обозначить длину зазора между обкладками конденсатора через δ, толщину ленты диэлектрика через δ_Д, а диэлектрическую проницаемость ленты через ε_д, то емкость можно выразить как:

C  ^S .

_{Д }_Д

₀ _Д

Измерители силы и перемещений. При измерении механи- ческой силы или перемещений используется зависимость емко- сти от расстояния δ между обкладками 1 и 2 преобразователя (рис. 4.13).

1

В измерительную _δ

цепь

^Р 2

Рис. 4.13. Измеритель перемещений: 1, 2 – обкладки преобразователя

Зазор δ изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения.

Схемы с дифференциальным преобразователем (рис. 4.14) имеют большую чувствительность и точность. Обкладка 3 за- креплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под действием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 2 неподвижны.

^P 1

3

δ₁

δ₂

2

Рис. 4.14. Дифференциальный измеритель силы Р. 1...3 – обкладки преобразователя

Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между об- кладками 1 и 3 уменьшается.

Емкостные преобразователи для измерения малых перемеще- ний (порядка 10^-6 – 10^-3 м) отличаются высокой чувствительно- стью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.

Измеритель угла поворота. На рис. 4.15 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла по- ворота вала.

Подвижная обкладка измерителя 2, жестко скрепленная с ва- лом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 1 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, но изме- няется действующая площадь обкладок, а следовательно, и ем- кость преобразователя. Рабочий зазор δ несоизмеримо мал по от- ношению к зазоруδ₁.

1

δ

δ₁

ω

3 ₂

Рис. 4.15. Измеритель угла поворота вала: 1, 2 – неподвижная и подвижная кладки измерителя соответственно; 3 – вал

Путем соответствующего выбора формы пластин можно полу- чить любую функциональную зависимость между изменением ем- кости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобра- зователи применяются и для измерения линейных перемещений.

Измеритель влажности. Емкостные преобразователи исполь- зуют для измерения влажности различных веществ: пряжи, во- локна, кожи, зерна и т.д.

На рис. 4.16 представлено устройство преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.

В измерительную цепь

Испытуемое вещество

Рис. 4.16. Измеритель влажности вещества

Цилиндрический конденсатор заполняется исследуемой пря- жей или волокном и включается в одно из плеч измерительного моста.

Так как вода имеет очень высокую относительную диэлектри- ческую проницаемость (ε_Н2О = 81) по сравнению с ε для осталь- ных веществ (ε= 1...6), то в зависимости от влажности испытуе- мого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться.

Измерительные цепи с емкостными преобразователями. В большинстве случаев емкостные преобразователи включаются в мостовые цепи переменного тока. Для повышения точности и чувствительности емкостный преобразователь делается диффе- ренциальным и включается в соседние плечи моста.

Для того чтобы было возможно реализовать преимущества емкостных преобразователей, необходимо выполнить ряд требо- ваний к измерительной цепи.

Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую ем- кость (десятки-сотни пикофарад) и поэтому при промышленной частоте обладают весьма малой мощностью.

Если, например, преобразователь имеет емкость С_Пр = 100 пФ, то при частотеf= 50 Гц и напряжении питания U= 50 В получаем:

P_Пр U ²C_Пр 50²250 100 10^1280 10^16 В А.

Так как мощность измерителя должна быть меньше мощности преобразователя, то, очевидно, вкачестве измерителя может быть использован только электронный прибор.

Сопротивление емкостного преобразователя очень велико.

Для приведенного ранее преобразователя имеем:

^XCпп

_ 1

С_Пр

_ 1

250 100 10^12

30МОм ^.

Такое сопротивление преобразователя требует большого со- противления в выходной диагонали моста. Этому условию удо- влетворяют электронные приборы, имеющие высокое входное сопротивление.

Кроме того, при таком большом сопротивлении преобразова- теля должны быть очень высокими требования к изоляции изме- рительной цепи и измерителя. Если сопротивление преобразова- теля сравнимо с сопротивлением изоляции цепи измерителя, то токи утечки будут сравнимы с током впреобразователе.

Поэтому емкостные преобразователи часто применяются в цепях повышенной частоты, что сильно увеличивает мощность преобразователя и уменьшает его сопротивление.

Во избежание наводок все подводящие провода должны быть тщательно экранированы. Точки заземления экранов должны быть выбраны так, чтобы в цепи не было элементов, шунтирую- щих рабочие емкости.

Напряжение питания преобразователя должно быть ограниче- но из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно до- пускаемое напряжение составляет 700 В/мм.

Напряжение можно увеличить, если поместить между обклад- ками конденсатора тонкую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напряжение ≈ 103 кВ/мм. Наличие такой пла- стинки способствует получению более линейной зависимости выгодного напряжения от усилия или изменения зазора U = f(∆δ). Погрешности емкостных преобразователей. При использо- вании емкостных преобразователейнужнопомнитьо том, что между подвижной и неподвижной пластинами действует сила

электростатического притяжения:

2

_{F }1 U

Э _{2 2}

S ,

которая может внести погрешность в измерения. Если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются, то погрешно- сти можно избежать, применяя дифференциальный преобразова- тель (см. рис. 4.14), в котором силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и полностью компенсируют друг друга. Уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорцио- нальное уменьшение или увеличение напряжения между соответ- ствующими пластинами, а сила, действующая между ними, оста- ется неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от пе- ремещения.

При колебаниях температуры окружающего воздуха будут изменяться геометрические размеры преобразователя, что может привести к большой погрешности измерения. Это имеет место, если детали преобразователя выполнены из различных металлов, имеющих различные температурные коэффициенты расширения.

Температурную погрешность можно значительно уменьшить правильным выбором геометрических размеров деталей преобра- зователя, а также их температурных коэффициентов расширения.

Изменение влажности воздуха следует учитывать при измере- ниях емкостными преобразователями. Если, например, градуи- ровка прибора производилась в сухом помещении, а измерения будут проводиться при влажном воздухе, то может возникнуть систематическая погрешность из-за изменения диэлектрической проницаемости воздушного промежутка преобразователя.