1 Общие сведения о емкостных устройствах

1.1 Области использования емкостных датчиков и преобразователей

Как известно, емкость любого плоского конденсатора может быть представлена в общем виде формулой

(1)

где — диэлектрическая проницаемость пустоты;— диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между пластинами (электродами) конденсатора; S — площадь пластин (электродов) конденсатора; — расстояние (зазор) между пластинами (электродами) конденсатора.

Из формулы (1) видно, что изменение емкости переменного конденсатора может происходить при изменении площади пластин S, расстояния между пластинами и величины диэлектрической проницаемости либо при одновременном изменении перечисленных величин. Эти свойства конденсаторов с переменной емкостью и положены в основу работы емкостных датчиков и преобразователей.

Отсюда становится ясным, что конструкция емкостных датчиков и преобразователей определяется, прежде всего, видом измеряемой величины и способом ее воздействия на емкость датчика или преобразователя.

Таблица 1.Способы изменения емкости конденсаторов, используемые для построения емкостных датчиков

Как видно из таблицы, способы изменения емкости конденсатора определяют области использования емкостных датчиков и преобразователей. Кроме того, свойство емкостных датчиков хорошо сочетаться с условиями работы и высокая чувствительность являются основными их преимуществами, из которых самым важным является возможность разработки такой формы датчика, которая наиболее полно отвечает поставленной задаче.

При этом в отдельных случаях удается получить емкостные датчики с малым значением начальной емкости и с высокой крутизной характеристики преобразования.

Малая инерционность емкостных датчиков и преобразователей позволяет использовать их для измерения быстроменяющихся величин и для управления скоростными процессами.

Изменение расстояния () между электродами емкостного датчика или преобразователя используется для построения емкостных измёрителей больших и малых давлений, для построения датчиков биений вращающихся тел, микрометров и т. д. Особенно интересными являются емкостные датчики, у которых используются упругие деформации электродов. В одном случае электроды датчика, являясь мембранами, работают как измерители давлений, в другом случае биметаллические электроды работают как измерители тёмпературы [].

Изменение площади пластин S емкостного датчика или преобразователя широко используется в радиотехнике и автоматике для преобразования угловых перемещений в изменение емкости, например, для контроля положения стрелок измерительных приборов, контроля угла открытия шиберов, задвижек, угла наклона стрел землеройных машин и т. д. К этой же группе датчиков относятся датчики контроля положения и счетчики изделий.

Как правило, емкостные датчики и преобразователи с переменным расстоянием между пластинами и с переменной площадью пластин нуждаются в ничтожно малых усилиях для перемещения их электродов. Это обстоятельство позволяет использовать емкостные измерители рассогласования в следящих системах, где недопустима сколько-нибудь заметная нагрузка на исполнительное устройство [2].

Изменение диэлектрической проницаемости среды между электродами емкостного датчика наиболее широко применяется в производственных процессах, где необходим контроль или регулирование уровня сыпучих и жидких веществ. В последние годы при помощи емкостных датчиков решаются наиболее трудные задачи автоматического контроля, такие как контроль уровня раздела двух несмешивающих жидкостей, а также экспресс-анализ веществ в химических, нефтеперерабатывающих, целлюлозно-бумажных, пищевых и других отраслях промышленности.

При измерении уровня или границы раздела двух сред, являющихся агрессивными или взрывоопасными, из имеющихся методов наиболее предпочтительным является емкостный метод благодаря доступности защиты чувствительных элементов от коррозии и искробезопасным значениям электрических параметров этих цепей [1].

К этой же группе относятся различного рода влагомеры, датчики для исследования диэлектрических свойств различных веществ, датчики для определения состава и концентрации жидкостей, газов и т. д.

Особую группу емкостных датчиков, основанных на изменении диэлектрической проницаемости окружающего электроды датчика пространства, составляют счетчики изделий, извещатели охранной сигнализации и измерители толщины .различных покрытий.

Во всех этих случаях диэлектриком является контролируемая среда, относительная диэлектрическая проницаемость которой всегда больше относительной диэлектрической проницаемости воздуха —= 1,00059.