Ємнісні датчики

Ємнісний перетворювач становить конденсатор (як правило, плоский, рідше — циліндричний), ємність якого змінюється залеж­но від змін вимірювальної величини. Як відомо, ємність плоского конденсатора виражається формулою

С = (εS)/d,

де ε — діелектрична проникність середовища, що заповнює прос­тір між обкладинками конденсатора; s — робоча площа обклади­нок; d — віддаль між ними.

Отже, зміна ємності такого перетворювача може бути наслід­ком змін ε, s або d.

Найбільшого поширення дістали плоскі ємнісні перетворювачі, вхідною величиною яких є переміщення — зміна проміжку б між електродами .Верхній електрод підключено до вимірю­вальної схеми екранованим проводом для того, щоб зміни ємності цього проводу не виливали на результат вимірювання.

Ємнісний перетворювач, робота якого базується на зміні діелек­тричної проникності середовища, зображено на рисунку 4.4 б). Між його обкладинками проходить стрічка деякого діелектрика, діелек­трична проникність якої змінюється (наприклад, під впливом во­логості).

Рисунок 4.4 Ємнісні перетворювачі

Ємнісні перетворювачі можуть бути виконані з циліндричними електродами. Застосування циліндричного ємнісного перетворю­вача для вимірювання рівня рідини показано на рисунку 4.5 а) (перед­бачається, що рідина неелектропровідна, інакше електроди слід електрично ізолювати від рідини, як на рисунку 4.5 б)

Рисунок 4.5

Датчик ємності із змінною площиною пластин є повітряним конденсатором з декількома паралельно розташованими пластинами. При цьому одна частина пластин нерухома (звично через одну пластину), а інша може повертатися на деякий кут. Такі конденсатори широко застосовуються в радіотехніці. У схемах автоматики їх використовують для вимірювання кутових переміщень. При повороті рухомих пластин змінюється значення активної площі пластин конденсатора, а значить, і значення ємності. Таким чином, ємність датчика пропорційна куту повороту валу задаючого пристрою, з яким пов'язані рухомі пластини датчика ємності.

Рисунок 4.6

Переваги: висока чутливість ,малі габарити та маса, мала інерційність.

Недоліки : великий внутрішній опір , вплив на роботу датчика паразитних ємностей та температури, необхідність високочастотного джерела живлення.

Ємнісні датчики тиску

У таких датчиках одна з обкладинок конденсатора є діафрагмою, яка прогинається при зміні тиску. Номінальна ємність конденсатора визначається залежністю С = kεS/d, де S — площа обкладинок ,ε— діелектрична постійна, d — відстань між обкладаннями, k— коефіцієнт, залежний від конструкції датчика. Як чутливі елементи використовуються кремнієві або керамічні діафрагми.

Лекція 5

Генераторні датчики

Термопари

У термоелектричних перетворювачах використовується термо­електричний ефект, відкритий у 1821 р. німецьким фізиком Тома­сом Іоганном Зеебеком (ефект Зеебека), який уперше створив тер­мопару і застосував її для вимірювання температури.

Відомо, що при зіткненні двох різних металів між ними вини­кає контактна різниця потенціалів е_к, значення якої залежить від природи металів та від температури у точці зіткнення (рис. 5.1, а). Проте, якщо з двох різнорідних металів утворити замкнене елект­ричне коло (рис. 5.1, б), то при рівності температур t₁ та t₂ в обох точках зіткнення струм у цьому колі не виникне, оскільки обидві різниці потенціалів е_к1 та е_к2 взаємно зрівноважаться, тому ре­зультуюча електрорушійна сила дорівнюватиме нулю. Якщо ж тем­ператури t₁ і t₂ неоднакові, то е_к1≠е_к2 і в електричному колі вини­кає певна різницева електрорушійна сила, так звана термоелектро­рушійна сила e_t (при t₁ > t₂ e_t = e_к1—е_к2). На цьому базується робота термоелектричного перетворювача, який називають також термопарою: дві дротини, виготовлені з різних металів або їх спла­вів, зварені між собою з одного кінця (рис. 5.1, в). Якщо місце їх з'єднання нагріти, то між вільними кінцями дротинок виникне термоелектрорушійна сила e_t. При незмінності температури t₂ ве­личина e_t буде однозначною функцією від температури t₁ робочого кінця термопари.

Для виготовлення позитивних полюсів використовують мідь та сплави хромель (Cr+Ni) або платинородій (Pt+Rh); для виготов­лення негативних полюсів — сплави константан (Cu+Ni+Mn), копель (Cu+Ni), алюмель (Al+Si+Mg+Ni). З цих матеріалів виготовляють термопари: мідь — константан (М, до +350 °С), хромель — копель (ХК, від —50° до +600 °С); хромель — алюмель (ХА, від —50° до +1000 °С); платинородій — платина (ПП, від —20° до+1300 °С).

Рисунок 5.1 Переваги : простота ,різноманітні конструкції

Недоліки : інерційність, наявність паразитних термо- ЕРС