Емкостные измерительные элементы
В устройстве измерения давлений с емкостным преобразователем чувствительным элементом является мембрана, которая представляет собой одну из пластин конденсатора. Мембрана имеет свободу деформации в одном направлении и перемещается под действием переменного давления, изменяя величину емкости конденсатора. Максимальное изменение ёмкости может составлять величину порядка 20% полной ёмкости преобразователя. Вторая пластина конденсатора неподвижна и крепится на корпусе.
Измерительный диапазон определяется толщиной мембраны и начальным зазором между пластинами конденсатора. Измерительный диапазон можно сдвинуть в область меньших давлений, уменьшая начальный зазор между пластинами.
В плоскопараллельном конденсаторе связь между емкостью и зазором имеет гиперболический характер. Вследствие этого для использования участка характеристики, близкого к линейному, необходимо применять малые зазоры и малые перемещения мембраны по отношению к величине зазора. Однако практически в таких устройствах невозможно применять зазоры меньше 0,025мм. Линейность и чувствительность измерительного устройства можно улучшить, вводя в зазор пластину из материала с высокой диэлектрической постоянной, например из слюды.
На рисунке №2.2 приведена статическая характеристика зависимости емкости (С) от величины давления (Р) (при различной толщине слюдяной пластины) емкостного преобразователя. При этом зависимость А получается при слюдяной пластине, толщина которой составляет 0,9b величины зазора между пластинами конденсатора; кривая В соответствует толщине слюдяной пластины 0,6b, а кривая С - толщине слюдяной пластины 0,3b.
Статическая характеристика зависимости емкости (с) от величины давления (р) (при различной толщине слюдяной пластины) емкостного преобразователя.
Рисунок 2.2
Придавая определённую кривизну неподвижной пластине, можно также улучшить линейность характеристики емкостного преобразователя. Диаметр плоской неподвижной пластины конденсатора, для улучшения линейности характеристики, должен быть равным примерно 0,7 диаметра мембраны. Это позволяет использовать для измерения емкости наиболее плоскую часть мембраны.
Для преобразования изменений емкости в пропорциональные изменения напряжения в большинстве случаев электрические схемы, в которых высокочастотный синусоидальный электрический сигнал подвергается в соответствии с изменениями ёмкости амплитудной модуляции по двум следующим методам:
Изменение ёмкости, включенной в резонансный контур, вызывает изменение его резонансной частоты и соответствующее изменение амплитуды тока в контуре. Этот метод дает высокую чувствительность и хорошую линейность, однако проявляются зависимость показаний от напряжения питания, наличие нулевого тока и чувствительность к изменению емкости соединительного кабеля;
Конденсатор измерительного устройства используется в качестве реактивного сопротивления в мостовой схеме, питаемой током постоянной частоты. Баланс моста осуществляется при ненагруженном измерительном устройстве. При нагружении будет происходить разбаланс моста и в его диагонали появится переменный ток, пропорциональный изменению ёмкости. Этот метод дает высокую стабильность и пониженную чувствительность к изменению емкости соединительного кабеля, однако – более низкая чувствительность.