1. Непосредственное измерение емкости

рис.1

Непосредственное измерение емкости fo~50-1000 Гц, измерение 100пФ-100мкФ, погрешность несколько процентов. К и R - установка нуля.

J = Uо*2*¶*f_o*(Co+Cx)

прибор можно отградуировать непосредственно в отношениях емкостей Сх к Со, Со можно заменить набором эталонных емкостей. При измерении емкости этим методом напряжение должно быть синусоидальным, так-как в противном случае за счет высших гармоник может произойти значительное искажение кривой тока, что может привести к большим погрешностям измерения.

2. Измерение емкости мостом.

рис. 2.

Первое плечо моста образуется испытуемым конденсатором Сх, который можно заменить эквивалентной последовательной схемой. Третье плечо состоит из образцового конденсатора Со без потерь (воздушный конденсатор) и магазина сопротивлений Rо. Второе и четвертое плечи моста выполнены из магазина сопротивлений R₂ и R₄ . В одну диагональ включается источник питания переменного тока, в другую - нулевой индикатор.

Для уравновешивания моста устанавливают R₀ = 0 и, изменяя R₄ и R₂, получают наименьший ток в гальванометре. Затем, не изменяя R₄ и R₂, регулируют R₀ , уменьшая ток в гальванометре, процедуру повторяют до получения равновесия. Измеряемая емкость:

Если потерями в конденсаторе Сх можно пренебречь, R₀ ставить не нужно. Мостовые измерители успешно работают при измерении емкостей от 10^-4 пФ до 10² мкФ.

Измерение емкости можно производить и с помощью неуравновешенного моста, по величине разбаланса напряжений Uд в диагонали моста. В случае использования электронного вольтметра, с большим входным сопротивлением:

3. Измерение емкости методом резонанса.

Удобны для измерения емкости в пределах (1-5) нФ, типичная погрешность 1-3%. Измерение основано на включении измеряемой емкости в резонансный контур с последующим определением его резонансной частоты: Напряжение на питающих зажимах контура максимально при резонансной частоте, а сопротивление контура максимально (резонанс токов). Плавно перестраивая частоту питающего напряжения, добиваются резонанса в контуре.

Формулы справедливы и для последовательного колебательного контура, но обнаружение резонанса производится по минимальному напряжению на зажимах контура (резонанс напряжений).

Типы емкостных датчиков

Датчик с переменным зазором, пределы измерения 0-1 мм.

Дифференциальный датчик, с переменным зазором. Пределы измерения (0-1) мм.

Датчик с переменной диэлектрической проницаемостью, перемещение дилектрика в зазоре, он же измеритель уровня жидкости в баке.

Поворотный конденсатор, измерение угла поворота оси.

Важной характеристикой конденсатора переменной емкости является закон изменения емкости в зависимости от угла поворота ротора.

• Прямоемкостный конденсатор характеризуется линейной зависимостью емкости от угла поворота ротора.

• Прямоволновой конденсатор имеет квадратичную зависимость емкости от угла поворота.

• Логарифмический конденсатор характеризуется постоянством относительного изменения емкости при повороте ротора на 1^о.

Возможна система с поворачивающейся пластиной диэлектрика и неподвижными электродами. Во всех случаях, зависимость емкости, от угла поворота обеспечивается формой пластины.

Таким образом, возможно реализовать достаточно простые датчики линейных и угловых перемещений, а также инклинометры (датчики крена) с достаточно высокой точностью измерения.

Ниже даны примеры некоторых датчиков такого типа, имеющиеся в настоящее время на рынке.

Датчик перемещения емкостный (компания «Теплоэнергетические технологии»)

Датчик перемещения емкостный с унифицированным выходным сигналом предназначен для измерения перемещения рабочих частей объекта. Он обеспечивает непрерывное преобразование измеряемого параметра в унифицированный выходной сигнал ±5мА. Датчик снабжен магнитными стойками, что значительно упрощает его установку на объекте.

Наименование параметра	Значение по ТУ
Диапазон измерений, мм	0-50
Погрешность измерений, % (согласуется с заказчиком)	±1
Напряжение питания, В	±12±20%
Диапазон рабочих температур, °C	от +5 до +70
Размеры, мм	163х73х69
Масса, г	400

Линейные датчики (Компания "Микросенсорные технологии")

Линейные датчики наряду с угловыми являются наиболее распространенными приборами систем контроля и управления. В настоящее время в рамках системы начат серийный выпуск датчиков малых линейных перемещений (4 модификации), охватывающих диапазон измерений от 0-1мм до 0-50мм.

Конструктивно приборы представляют собой цилиндрический конденсатор с одной из обкладок, перемещающейся вдоль оси. Механически это один из самых отработанных в машиностроении узлов: цилиндр с ходящим внутри него поршнем.

Так же как в инклинометрах и угловых датчиках, в линейных датчиках используется электронный блок типа IPU-1 (размер d36x9, весом 5 г). Линейные датчики также могут быть доукомплектованы: для питания от однополярного источника питания +5В - +15В; для получения на выходе датчика заданного вида кода при работе в цифровых системах; элементами дистанционной перестройки диапазона и “0” внешним цифровым сигналом. Линейные датчики выпускаются в двух конструкторских модификациях: с клеммной колодкой и гибкими выводами.

Весьма интересны функциональные возможности датчиков: вид характеристики вход (перемещение) - выход (электрический сигнал) может трансформироваться в широких пределах. На рис.1 показаны возможные варианты характеристики с однополярным выходным сигналом, а на рис.2 - с двуполярным выходным сигналом.

Как видно из рисунков:

1. Сигнал может увеличиваться или уменьшаться при увеличении размера датчика.

2. Сигнал может иметь положительную или отрицательную полярность во всех диапазонах перемещений или быть двуполярным.

3. Сигнал может иметь “0” значение в любой точке диапазона датчика. Возможны изменения крутизны преобразования более чем в 10 раз.

Примечание: В настоящее время выпущена опытная партия линейных датчиков микронных перемещений (деформаций). В составе партии четыре модификации приборов с диапазонами ±50мкм (0-100мкм); ±100мкм (0-200мкм); ±250мкм (0-500мкм); ±500мкм (0-1000мкм). По экспертным оценкам диапазоны указанных групп датчиков малых и микронных линейных перемещений покрывают около 70% потребностей в машиностроении.

Разработаны датчики близости с линейной и релейной характеристиками, которые поставляются по заказам.

Технические характеристики

Тип прибора	ДЛП-02	ДЛП-05	ДЛП-1	ДЛП-2
Диапазон измерения, мм	от 0-1мм до 0-5мм	от 0-5мм до 0-10мм	от 0-10мм до 0-20мм	от 0-20мм до 0-50мм
Основная погрешность , %	0.25; 0.5	0.25; 0.5	0.15; 0.25; 0.5	0.15; 0.25; 0.5
Диапазон рабочих температур, `С	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60
Дополнительная температурная погрешность “0” и шкалы, %/`С	0.05	0.05	0.05	0.05
Полоса пропускания (-3dB) ,Гц	600	600	600	200
Габариты датчика	d11x21	d11x31	d11x45	d11x71
Минимальная и максимальная длина датчика в рабочем положении, мм	22 28	32 46	46 73	72 124
Полный вес датчика, г	5.8	8.6	11.8	18.7
Вес подвижной части датчика, г	2.5	3.6	5.2	7.9
Напряжение питания, В	±5 - ±15	±5 - ±15	±5 - ±15	±5 - ±15
Потребляемый ток, мА	3	3	3	3
Выходной сигнал, В	от 0-±2 до 0-±10	от 0-±2 до 0-±10	от 0-±2 до 0-±10	от 0-±2 до 0-±10

Инклинометры (Компания "Микросенсорные технологии")

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах. В качестве основных можно считать следующие области применения:

1. Долговременное определение положения различных высотных сооружений, плотин, стволов шахт, использование в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок. 2. Контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации. 3. Определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, дорожных грейдеров и асфальтоукладчиков, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин. 4. Определение направления бурения нефтяных и газовых скважин, использование в системах управления насосами нефтяных скважин. 5. Использование в роботах, станках и печатных прессах для контроля положения механизма, режущего органа или валика на печатных прессах. 6. Определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов - валов, колес, механизмов редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах. 7. Использование в приборах охранной сигнализации (в первую очередь автомобильных) и сейсмоакустического контроля. Особенно полно могут использоваться возможности инклинометров на таком перспективном объекте для автоматизации, как автомобиль. Это работа их в системе автонавигации, определения профиля дороги, в системе горизонтирования салона, в системе автомобильного торможения ABS, системах охранной сигнализации. Они могут контролировать положение руля, положение заслонок и штоков, осуществляющих регулировку мощности двигателя и коробки передач, отопление и вентиляцию салона, следить за положением кресел и их спинок и т.п. Принцип действия: инклинометр представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы. Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости. Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной - так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Технические характеристики

Тип прибора	ДК1-А	ДК1-В	ДК1-С	ДК1-2	ДК1-3
Полный диапазон	±30°(60°)	±60°(120°)	±85°(170°)	±150°(300°)	±180°(360°)
Линейный диапазон	от ±1° (0°-2°)до ±20°(0°-40°)	от ±20°(0°-40°)до ±45°(0°- 90°)	от ±45°(0°-90°)до ±70°(0°-140°)	от ±70°(0°-140°)до ±135°(0°-270°)	от ±70°(0°-140°)до ±180°(0°-360°)
Порог чувствительности	0.001°	0.001°	0.001°	0.01°	0.004°
Линейность , ±%	±20°(40°) 0.25 - 0.5	±45°(90°) 0.25 - 0.75	±70°(140°) 0.25 - 0.75	±135°(270°) 2.5	±180°(360°) 2.5
Повторяемость “0”	0.03°	0.05°	0.06°	0.1°	0.1°
Диапазон рабочих температур, °С	-30 - +60	-30 - +60	-30 - +60	-30 - +60	-30 - +60
Погрешность при поперечном наклоне до 45°	±0.1%	±0.1%	±0.1%	±1%	±1%
Постоянная времени прибора	0.1	0.15	0.25	0.5	0.4
Полоса пропускания (-3dB), Гц	5	3	2	0.5	0.1
Погрешность от влияния радиочастотных помех	±0.05°	±0.05°	±0.05°	±0.2°	±0.2°
Температурный коэффициент “0”	0.006%/°С	0.006%/°С	0.006%/°С	0.03%/°С	0.08%/°С
Температурный коэффициент наклона характеристики	0.025%/°С	0.025%/°С	0.025%/°С	0.08%/°С	0.08%/°С
Длительная стабильность (10000 часов)	±0.25%	±0.15%	±0.15%	±0.5%	±0.5%

Электронный блок питается от двухполярного напряжения ±5В - ±15В, потребляя при этом ток до 3мА (с учетом чувствительного элемента). При этом не требуется стабильность питающего напряжения и допускается его пульсация до 200мВ. Выходной сигнал: однополярное или двухполярное постоянное напряжение, лежащее в пределах 0 - +2В...0 - +10В или 0 - ±2В...0 - ±10В с током нагрузки до 5мА. Выходное сопротивление - меньше 5 Ом. Напряжение пульсации на нагрузке - менее 0.1% номинального выходного сигнала. Предусмотрена возможность юстировки диапазона измерения. Возможна механическая и электрическая юстировка “0” датчика. Максимальное удаление первичного преобразователя от электрического блока - до 20м. Максимальное удаление электронного блока от контрольного пункта - до 2000м. По желанию Заказчика электронный блок может быть доукомплектован: для питания от однополярного источника питания +5В - +15В; для получения на выходе датчика заданного вида кода при работе в цифровых системах; элементами дистанционной перестройки диапазона и “0” внешним цифровым сигналом. Внешний вид инклинометров представлен на помещенных выше фотографиях. Конструкция прибора Чувствительный элемент инклинометра выполнен в виде законченного конструктивного узла Ж23ґ10мм, весом 3.9 г и двух конструктивных исполнений электронных плат - первой круглой Ж36ґ9мм весом 5 г (тип IPU-1)и второй квадратной 36ґ36ґ9мм весом 5 г (тип IPU-2). При жестких требованиях к размеру и весу датчика на объекте может быть установлен только чувствительный элемент инклинометра, закрепленный на нем любым удобным для Заказчика способом, например, клеем при стационарной установке или скотчем, если необходимо часто переставлять прибор. В этом случае используется первый вариант исполнения - круглая электронная плата, устанавливаемая в любом удобном для Заказчика месте. В большинстве случаев используется второй вариант: чувствительный элемент устанавливается жестко на квадратной плате и это функционально законченное устройство крепится на объекте. Примечание: рассмотренные выше инклинометры входят в систему датчиков, объединенных общим электронным блоком типа IPU-1 и общим конструкторским подходом.

Угловые датчики (Компания "Микросенсорные технологии")

Угловые датчики являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах. В рамках системы выпускаются малогабаритные бесконтактные приборы, имеющие довольно высокие метрологические характеристики, при высокой эксплуатационной надежности и низкой стоимости. В настоящее время начат серийный выпуск четырех типов угловых датчиков, имеющих одинаковые размеры и конструкцию и позволяющие охватить диапазоны измерения углов от 2° (ДУП-1А1) до 360° (ДУП-1А4). Это датчики с абсолютным отсчетом.

Технические характеристики

Тип прибора	ДУП-1А1	ДУП-1А2	ДУП-1А3	ДУП-1А4
Диапазон измерения	от ±1° (0°-2°) до ±10° (0°-20°)	от ±10°(0°-20°) до ±30° (0°- 60°)	от ±30°(0°-60°) до ±90° (0°-180°)	от ±90°(0°-180°) до ±180° (0°-360°)
Основная погрешность , ±%	0.5 - 1	0.5 - 1	0.5 - 1	1 - 1.5
Диапазон рабочих температур, °С	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60	-30 ... +60
Дополнительная температурная погрешность “0”	0.015%/°С	0.015%/°С	0.015%/°С	0.015%/°С
Дополнительная температурная погрешность шкалы	0.08%/°С	0.08%/°С	0.08%/°С	0.03%/°С
Полоса пропускания (-3dB) ,Гц	600	600	600	200
Напряжение питания,В	±5 ... ±15	±5 ... ±15	±5 ... ±15	±5 ... ±15
Потребляемый ток, мА	3	3	3	6
Выходной сигнал, В	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10	от 0...±2 до 0...±10
Габариты датчика, мм	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х30,встроенная электроника	Ф46х20,отдельная плата электроники
Вес, г	62	62	62	58
Материал корпуса	алюминий	алюминий	алюминий	алюминий

Как и инклинометры, датчики могут быть доукомплектованы: для питания от однополярного источника питания +5В ... +15В; для получения на выходе датчика заданного вида кода при работе в цифровых системах; элементами дистанционной перестройки диапазона и “0” внешним цифровым сигналом.

Вид характеристики вход (угловое перемещение) - выход (электрический сигнал) представлен на рис. Сигнал может увеличиваться или уменьшаться при повороте оси датчика. Сигнал может иметь положительную или отрицательную полярность во всех диапазонах перемещений или быть двуполярным.

В настоящее время в указанных выше габаритах выпущена опытная партия датчиков накопительного типа (датчиков приращений) с двумя диапазонами разрешения: 540имп./оборот и 1080 имп./оборот.

Примечание: Как было отмечено в описании инклинометров, они могут в ряде случаев использоваться в качестве угловых датчиков. При выборе между инклинометрами и угловыми датчиками потребителю следует учитывать следующее: · диапазоны измерения и метрологические характеристики инклинометров и угловых датчиков близки друг к другу · поэтому сначала надо выяснить возможность использования инклинометров, у которых значительно выше эксплуатационная надежность (полностью отсутствуют какие-либо подвижные механические узлы), существенно меньше габариты и вес, весьма проста установка на объект и существенно ниже стоимость самого прибора · угловые датчики в качестве базовых следует использовать только в случаях, когда требуется высокое быстродействие - свыше 1Гц (угловые перемещение происходят со скоростью свыше 60 оборотов/мин.; если сам объект часто испытывает заметные ускорения (порядка g) по нескольким направлениям и с частотами, близкими к измеряемым.

ЕМКОСТНЫЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ ПЕРВИЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Г.М.Горбова

Научно-техническим центром «Ангстрем» и АО Барнаульское ОКБА НПО «Химавтоматика» разработан ряд емкостных приборов для измерения различных неэлектрических величин, которые могут широко использоваться в промышленности. (таблица)

Наименование средства измерения	Тип	Диапазон измерения	Абсолютная погрешность	Стадия освоения	Заказчик
Прибор для измерения микроперемещений плоской заземленной поверхности ИП-1 [1,2]	Цифровой, сигнализирующий	(0±200)мкм	±0,2мкм	макет (1шт.)	БОКБА (г. Барнаул)
Девятиканальная система для измерения отклонения формы маски дисплейных кинескопов ИФМ-1 [1,2]	Показывающая, аналоговая, сигнализирующая	(0±600)мкм	±30мкм	макет (1шт.)	Завод «Хромотрон» (г. Москва)
Прибор для измерения толщины движущейся ленты ИТЛ-1[1,2]	Цифровой, сигнализирующий	(10-500)мкм	±1мкм	Разовая партия (8 шт.)	Завод «Спецсплавов» (г. Москва)
Трехканальная система для измерения отклонений толщины металлической ленты ИТЛ-2 [2,3]	Показывающая, аналоговая	±10 мкм	±1мкм	Разовая партия (3 шт.)	Металлургический комбинат (г. Выкса)
Измеритель влажности микрокристаллической целлюлозы ИВ-1 [2,4]	Показывающий, аналоговый	(2-7)%	±0,5%	Разовая партия (2 шт.)	АО «Полиэкс» (г. Бийск)
Измеритель объема металлической ленты МИКРОН-3	Показывающий, аналоговый	(1.4-2)см3	±0,02 см3	Разовая партия (2 шт.)	Металлургический комбинат (г. Выкса)

Приборы основаны на емкостном методе. В приборах по пп. 1-5 использован первичный преобразователь с компланарными электродами [2], в приборе по п. 6 - в виде плоского конденсатора. Для измерения емкости использованы трансформаторные мосты переменного тока.