Емкостные преобразователи

Рис. 4.1.10 Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (в), с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами (г)
Рис. 4.1.11 Принцип работы емкостного динамометра и манометра	Рис. 4.1.12 Схема устройства емкостного преобразователя для измерения толщины

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость , где e₀ – диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; s – активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками. Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей С = f ₁ (e), С = f ₂ (s), С = f ₃ (d).

На рис. 4.1.10 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователи на рис. 4.1.10, а представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами d ведет к изменению емкости преобразователя. Функция С = f ₃ (d) нелинейная. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния d, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздух (10 кВ/см для воздуха).

Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.

В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля W_Э по перемещению подвижной пластины, , где U и С – соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяются дифференциальные преобразователи (рис. 4.1.10, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С₁ и С₂.

Рис. 4.1.13 Принцип устройства емкостного преобразователя влагометра

Рис. 4.1.14 Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом

На рис. 4.1.10, в показано устройство дифференциального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователи с использованием зависимости С = f ₁ (e) применяются для измерения уровня жидкостей, влажности веществ, толщины изделий из диэлектриков и т.д. Для примера (рис. 4.1.10, г) дано устройство преобразователя емкостного уровнемера. Емкость между электродами, опущенными в контролируемый сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости. Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяются равновесные и неравновесные мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10^{-7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе: Р = U2} w С (а следовательно, и мощность, попадающую на измерительный прибор), и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных преобразователей – простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Недостатки – влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты.

В емкостных манометрах и динамометрах изменяется воздушный зазор d (рис. 4.1.11) между двумя пластинами конденсатора под действием измеряемого давления Р или силы F.

Работа емкостного преобразователя для измерения толщины резиновой ленты 1, которая протягивается между двумя неподвижными электродами 2 (рис. 4.1.12), основана на влиянии толщины ленты на изменение воздушного зазора и емкость преобразователя.

Емкостный преобразователь для измерения влажности зерна, порошка, волокна, пряжи представляет собой цилиндрический конденсатор (рис. 4.1.13). Внутренний электрод имеет форму цилиндрического стержня, наружный электрод – форму стакана, внутреннее пространство до определенного уровня заполняется испытуемым материалом. Содержание влаги в испытуемом материале резко увеличивает емкость вследствие большой диэлектрической проницаемости воды (e = 80).

Рис. 4.1.15 Схема включения фотоэлемента с запирающим слоем

Рис. 4.1.16 Схема работы фотоэлектрического пирометра

Рис. 4.1.17 Схема работы фотоэлектрических колориметров

Рис. 4.1.18 Принцип работы фотоэлектрического прибора для измерения диаметра проволоки

Емкостные преобразователи имеют малую емкость, поэтому измерение их емкости производят при повышенной или высокой частоте, применяя при этом электронные усилители.