Емкостные преобразователи

Принцип действия емкостных преобразователей основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между обкладками.

Для плоского конденсатора с двумя обкладками (пластинами) электрическая емкость определяется выражением , где ­ – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость; S – активная площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

На рис. 2.8 схематично показано устройство различных емкостных преобразователей. В преобразователе на рис. 2.8, а  измеряемая неэлектрическая величина x приложена к подвижной пластине конденсатора, которая перемещается относительно неподвижной пластины, т. е. в этом случае изменяется расстояние d между пластинами. Зависимость емкости конденсатора от изменения расстояния между пластинами, т. е. , нелинейна (гиперболическая), а чувствительность резко возрастает с уменьшением расстояния между пластинами. В связи с этим такие преобразователи используются для измерения перемещений до 1 мм.

В схеме дифференциального емкостного преобразователя (рис. 2.8, б) измеряемая (преобразуемая) величина прикладывается к подвижной пластине, которая перемещается между двумя неподвижными пластинами, что приводит к одинаковому изменению емкостей конденсаторов  и , но с разными знаками (см. 1.4). Зависимость относительного изменения разности емкостей  и  от относительного изменения расстояния между подвижной и неподвижной пластинами становится линейной при относительном изменении расстояния d Δ d /  ≈ 0,4…0,5, где   – начальное расстояние между неподвижной и подвижной пластинами. Как уже отмечалось в 1.4,  в дифференциальном преобразователе увеличивается также чувствительность.

Дифференциальный емкостный преобразователь с переменной активной площадью пластин (рис. 2.8, в) может использоваться для измерения как   линейных   (значительно больших 1 мм), так и угловых перемещений. Хотя в формуле плоского конденсатора емкость C пропорциональна активной площади обкладок (пластин) S, на практике емкость непропорциональна площади из-за так называемого краевого эффекта, когда электростатическое поле на краях пластины перестает быть равномерным.

На рис. 2.8, г приведена упрощенная схема емкостного преобразователя, используемого для измерения уровня некоторой жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε. В этом случае преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор  образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор  – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом. При этом емкость преобразователя . Зная геометрические размеры устройства и диэлектрическую проницаемость жидкости, можно получить зависимость емкости C от уровня жидкости x.

Емкостные ИП применяются в измерительных цепях, питающихся напряжением высокой частоты (до десятков мегагерц). Как указано в [15], номинальное значение емкости ИП обычно не превышает 100…500 пФ и на низких частотах емкостное сопротивление будет значительным. Для увеличения выходной мощности , где U – напряжение, подаваемое на ИП; ω – круговая частота питающего напряжения; C – емкость ИП, выгодно повышать напряжение U, но только до определенного предела. Этот предел определяется опасностью пробоя диэлектрика (воздух) при малом расстоянии между пластинами и возникновением силы электростатического притяжения между пластинами, которая пропорциональна квадрату приложенного напряжения U и обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами d.

Естественно, для нормальной работы ИП необходимо, чтобы измеряемая сила (или сила, которая осуществляет перемещение x) была много больше силы электростатического притяжения.

Следует отметить, что в дифференциальных преобразователях (рис. 2.8, б) усилия притяжения в конденсаторах  и  компенсируются, что также является несомненным достоинством дифференциальных преобразователей по сравнению с недифференциальными.

Кроме того, высокая частота питающего напряжения необходима для снижения шунтирующего действия. На работу емкостных ИП существенное влияние оказывают внешние электростатические поля. Для уменьшения влияния сам преобразователь экранируют, а экран часто заземляют.

По динамическим свойствам емкостные преобразователи значительно лучше индуктивных, так как подвижная пластина емкостного ИП может быть выполнена значительно меньшей массы, чем подвижный якорь индуктивного ИП. Выходной параметр емкостных ИП измеряют с помощью мостовых и потенциометрических (реже) схем.

Достоинством емкостных преобразователей можно считать простоту конструкции, потенциально высокую чувствительность и малую инерционность.

Недостатки емкостных ИП – влияние внешних электрических полей и паразитных емкостей, влияние внешних факторов (влажность, температура), необходимость специальных источников питания повышенной частоты.

Емкостные ИП чрезвычайно разнообразны по применению. Основное их назначение – измерение малых перемещений, осуществляемое с помощью ИП с переменным зазором (рис. 2.8, а). Эти преобразователи используются также для измерения давления, влажности сыпучих или твердых тел, уровня непроводящих жидкостей.