4.2.3. Ємнісні перетворювачі

Принцип дії й конструкція. Ємнісний перетворювач являє собою конденсатор, електричні параметри якого змінюються під дією вхідної величини.

Конденсатор складається із двох електродів, до яких приєднані вивідні кінці. Простір між електродами заповнено діелектриком. При зміні взаємного положення електродів або при зміні діелектричної проникності середовища, що заповнює міжелектродний простір, змінюється ємність конденсатора.

Як ємнісний перетворювач широко використовується плоский конденсатор. Його ємність визначається вираженням

де δ- відстань між електродами;

Q- їхня площа;

ε₀- електрична постійна;

ε_r- відносна проникність діелектрика.

Зміна кожного із цих параметрів змінює ємність конденсатора.

У перетворювача із прямокутними електродами (мал. 4.15, а) Q = bxі є деякий діапазон переміщення пластинх, у якому ємність лінійно залежить відх(мал. 4.15, б). Лінійна залежність спотворюється внаслідок крайового ефекту. В області лінійної залежності чутливість такого перетворювача постійна й збільшується зі зменшенням відстані між електродамиδ.

Якщо змінюється відстань δміж електродами, функція перетворенняС=f(δ)являє собою гіперболічну функцію. Чутливість перетворювача

сильніше, ніж у попередньому випадку, залежить від відстані між пластинами δ. Для збільшення чутливостіSдоцільно зменшитиδ.

Граничне значення δвизначається технологічними міркуваннями й прикладеною напругою. Треба враховувати, що при малихδможливий електричний пробій між електродами. (Пробій у сухому повітрі при атмосферному тиску відбувається при напруженості Е=3•10³ кВ/см Однак розрахункове значення напруженості звичайно не перевершує 700 кВ/см.)

Якщо переміщати діелектричну пластину в зазорі плоского конденсатора (мал. 4.16, а), то можна одержати перетворювач зі змінною діелектричною проникністю. Ємність такого перетворювача визначається як ємність двох паралельно включених конденсаторів. Один з них С_Єутворений частиною електродів і діелектричною пластиною, іншийС₀– утворений частиною електродів, що залишилася, не заповненою пластинкою. Якщо пластинка з відносною діелектричною проникністюε_rмає товщинуδ, рівну відстані між електродами, то функція перетворення перетворювача описується виразом

де Q- площа електродів;Q_Є- частина площі діелектричної пластини, що перебуває між електродами.

Ємнісні перетворювачі можуть виконуватися за диференціальною схемою. Схема диференціального перетворювача кутового переміщення αзі змінною площею електродів наведена на мал. 4.16, б. У таких перетворювачах середній рухомий електрод звичайно з'єднується з екраном.

Схеми включення. Ємнісний перетворювач включається у вимірювальний ланцюг; при цьому зміна його ємності трансформується в зміну напруги або струму або в частоту синусоїдального або імпульсного струму. Існує досить багато різних вимірювальних ланцюгів підключення ємнісних перетворювачів. Розглянемо деякі з них.

Для включення недиференціального перетворювача може використовуватися резонансний ланцюг (мал.4.17;а). Генератор через розділювальний трансформатор Тживить резонанснийLC-Контур.

Ємність контуру складається з ємності перетворювача С_прі підстроєчного конденсатора ємністюС*, частота й значення напруги генератора постійні. При зміні ємності напруга на контурі змінюється по резонансній кривій, як показано на мал. 4.17,б. При зміні ємності перетворювача на ΔС напругу на контурі змінюється на ΔU. Підстроєчний конденсатор служить для настроювання контуру так, щоб чутливість вимірювального ланцюга була максимальною.

Чутливість резонансного ланцюга досить висока й збільшується зі збільшенням добротності контуру.

S= ΔU/ΔС (4.78)

Для включення диференціального ємнісного перетворювача може бути використаний мостовий ланцюг (мал. 4.18), що працює в нерівновагому режимі. У цьому ланцюзі ємності С₁іС₂- диференціальний перетворювач. На схемі показане також екранування сполучних проводів і діагоналей мостового ланцюга.С_э1,С_э2,С_э3,С_э4~ ємності відповідних екранів. Ці ємності включені паралельно активним опорам і входять у повні опори плечей моста. Еквівалентні ємності екранів можуть трохи змінюватися при роботі приладу. Для того щоб їхньої зміни мало впливали на вихідну напругу моста, опору резисторівRповинні бути малими. ЄмністьС_э5не входить у рівняння рівноваги моста, і її зміна значно менше впливає на його вихідну напругу.

Іншою схемою включення диференціальних ємнісних перетворювачів є ємнісно-діодний ланцюг (мал. 4.19, а). Диференціальний перетворювач C₁іС₂підключається до джерела змінної напруги через діодиVD₁ - VD₄і конденсаториС₃ – С₄. При позитивній полярності напругиUконденсаторC₁заряджається черезС₃іVD₁, а при негативній розряджається черезС₄іVD₂. КонденсаториС₃іС₄мають рівні ємності, а діодиVD₁іVD₂- рівні прямі опори. При цьому, якщо живляча напруга синусоїдальна, та ж синусоїдальна напруга буде й на конденсаторіС₁(у точціс), причому значення цієї напруги визначається значеннямС₁. Аналогічним образом напруга на конденсаторіС₂(у точціd) змінюється синусоїдально і його значення залежить від ємностіС₂.

Якщо всі діоди мають однакові прямі опори, то при С₁=С₂напруги на цих конденсаторах однакові й напруга між точкамиcіdвідсутня. Якщо жС₁ ≠ С₂, то між точкамисі d з'явиться змінна напруга, пропорційна різниціC₁ - С₂. Ця напруга випрямлюється протягом однієї половини періоду діодамиVD_lіVD₃, а протягом другої - діодамиVD₂іVD₄. Вихідна напруга знімається з діодівVD₃іVD₄. Його зміна в часі показане на мал. 4.19,б. Середнє випрямлене значення напругиU_ВЫХвизначається різницеюС₁ - С₂і приблизно дорівнює

Для того щоб спростити екранування, вся ємнісно-діодна схема поміщається в екранований корпус датчика.

Похибка ємнісного перетворювача. Електроди ємнісного перетворювача монтуються на ізоляційних деталях або розділяються ними. Різнорідні конструктивні деталі датчика мають різні коефіцієнти лінійного розширення. При зміні температури це приводить до зміни відстані між електродами. Хоча ця зміна мала, вона може бути порівняна з відстанню між електродами, яка може призвести до температурної погрішності, що має адитивну й мультиплікативну складову. Перша може бути зменшена застосуванням диференціальних перетворювачів.

Номінальна ємність ємнісних перетворювачів звичайно лежить у межах від одиниць до сотень пікофарад. На частоті 50 Гц внутрішній опір перетворювача досягає значень більше 10⁷Ом. При настільки високому опорі можливі погрішності, обумовлені паразитними струмами витоку, причому на результат вимірювання впливає мінливість опору ізоляції. Для зменшення опору перетворювача частота напруги живлення збільшується до декількох кілогерців і вище, аж до декількох мегагерц.

Оскільки повна ємність перетворювача змінюється в присутності сторонніх металевих предметів, перетворювач, а також, дроти що йдуть до нього, і елементи вимірювального ланцюга необхідно екранувати. Однак ємність екрана може змінюватися під впливом зміни вологості повітря, вібрації й з інших причин. Екрановані проводи можуть змінювати свою ємність при їхніх вигинах, коли струмоведучий провід міняє своє положення щодо екрана. Ці зміни приводять до похибки.

Особливості застосування ємнісних перетворювачів.Ємнісні перетворювачі мають ряд специфічних достоїнств і недоліків, що визначають область їх застосування. Конструкція ємнісного датчика проста, він має малі масу й розміри. Його рухомі електроди можуть бути досить жорсткими, з високою власною частотою, що дає можливість вимірювати швидкозмінні величини. Ємнісні перетворювачі можна виконувати із заданою (лінійною або нелінійною) функцією перетворення. Для одержання необхідної функції перетворення часто досить змінити форму електродів. Відмінною рисою є мала сила притягання електродів.

Основним недоліком ємнісних перетворювачів є мала їхня ємність і високий опір. Для зменшення останнього перетворювачі живляться напругою високої частоти. Однак це обумовлює інший недолік - складність вторинних перетворювачів. Недоліком є й те, що результат вимірювання залежить від зміни параметрів кабелю.

Для зменшення похибки вимірювальний ланцюг і вторинний пристрій розташовують поблизу датчика.

Ємнісні перетворювачі широко застосовуються в науково-дослідній роботі, де є висококваліфікований персонал для розробки, експлуатації й ремонту датчиків і вторинних приладів. В умовах наукового експерименту неоціненною властивістю датчиків є простота їхньої конструкції й технології.