Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлек­трической величины. В качестве емкостного преобразователя широко используют плос­кий конденсатор, емкость которого можно выразить формулой: , где - диэлектрическая постоянная воздуха ( ); - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора; - площадь обкладки; - расстояние 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 зависимости от области применения.

Толщиномер. На рис. пред­ставлен принцип действия емко­стного толщиномера, измеряющего толщину ленты 2 из ди­электрика (например, резины).

Лента протягивается между обкладками 1 конденсатора, и в зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая проница­емость межэлектродного пространства. Если обозначить длину за­зора между обкладками конденсатора через , толщину ленты ди­электрика , а диэлектрическую проницаемость ленты через , то емкость можно выразить формулой:

Измерители силы и перемещений. При измерении механичес­кой силы или перемещения используют зависимость емкости от расстояния между обкладками 1 и 2 преобразователя.

Зазор изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения.

Схемы с дифференциальным преобразователем имеют большую чувствительность и точность. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздей­ствием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 7 и 2 уменьшается.

Емкостные преобразователи для измерения малых перемеще­ний (порядка

10^-6... 10^-3 м) отличаются высокой чувствительнос­тью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно про­стотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.

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

Для того чтобы реализовать преимущества емкостных преобразо­вателей, необходимо выполнить ряд требований к измерительной цепи. Емкостные преобразователи, как правило, имеют малую ем­кость (десятки-сотни пикофарад) и поэтому при промыш­ленной частоте обладают весьма малой мощностью: .

Сопротивление емкостного преобразовате­ля очень велико: , поэтому требования к изоляции измерительной цепи и измерителя должны быть очень высокими. Если сопротивление преобра­зователя сравнимо с сопротивлением изоляции цепи измерителя, то токи утечки будут сравнимы с током в преобразователе. Поэто­му емкостные преобразователи часто применяют в цепях повы­шенной частоты, что сильно увеличивает его мощность и умень­шает сопротивление.

Во избежание наводок все подводящие провода необходимо тщательно экранировать, а точки заземления экранов выбрать так, чтобы в цепи не было элементов, шунтирующих рабочие емкости.

Напряжение питания преобразователя должно быть ограниче­но из-за опасности пробоя воздушного промежутка. Обычно до­пускаемое напряжение составляет 700 В/мм. Напряжение можно увеличить, если поместить между обкладками конденсатора тон­кую слюдяную пластинку, так как слюда имеет пробивное напря­жение около 10³ кВ/мм. Наличие такой пластинки способствует получению более линейной зависимости выходного напряжения от усилия или изменения зазора U=f(∆δ).