Электростатические преобразователи
Принцип действия и область применения электростатических преобразователей. Использование в вольтметрах и датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи. Измерительные цепи емкостных преобразователей
Простейший электростатический (ЭС) преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e.
С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q=CU, где С– ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С = eS/d (без учета краевого эффекта), током i = dq/dt, энергией электрического поля WЭ=qU/2=CU2/2. Если одна из пластин (или диэлектрик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механической стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины w, перемещением ее х, скоростью перемещения u=dx/dt и электростатической силой притяжения fэс= dWэ/dx[1].
Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями:
dF=wx+E0C0u; dq=E0C0x+C0u.
Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 2-24, а, приведена на рис. 2-24, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость С0 между электродами 1 и 2, сопротивление Rут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К и его заземленным экраном Э.
Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 2-24, в), где rэкв=r и Сэкв=С0+Сп. Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении rэкв=r+1/(w2C2эквRут). Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.
В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше p/2 на угол потерь d. Последовательная и параллельная схемы, учитывающие потери в диэлектрике, представлены на рис. 2-27, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь d как r1экв=tgd/(wC1экв) или R2экв=1/(w2эквtgd). Емкости С1экв и С2экв связаны между собой зависимостью С2экв=С1экв/(1+tgd), и, так как обычно tgd<<1, их можно считать приблизительно равными: С1экв»С2экв»Сэкв. В образцовых воздушных конденсаторах tgd не превышает 5·10-5, так как определяется только потерями в изоляции между электродами и в материале электродов.
В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности. В частности, зависимость от влажности настолько существенна, что на этом принципе строятся измерители влажности зерна и некоторых других сыпучих материалов.
В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электродами преобразователя приходится считаться с тем, что после поляризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1–2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряжениям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С0 цепочки, состоящей из емкости Са, и сопротивления Rа. Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 2-24, д.
Рис. 2-24
При работе ЭС преобразователей на постоянном токе нужно учитывать существующую между электродами контактную разность потенциалов (КРП), включаемую в эквивалентной схеме последовательно с емкостью. КРП зависит от природы материалов, свойств и чистоты поверхности и существует даже между электродами, выполненными из одного и того же материала. Так, между электродами, выполненными из алюминия высокой чистоты, КРП может достигать 1 В. Лишь применение специальных мер позволяет снизить КРП до значения 10— 20 мВ.
Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1–10 мм эта напряженность составляет 2–3 кВ/мм. При зазорах, меньше 0,1 мм можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньше 350 В воздушный промежуток вообще не пробивается независимоот длины зазора.
В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d = 25 мм, зазоре d = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает fэс =U2eS/(2d)2 = 6·10-4 Н.
В дифференциальном преобразователе с переменным зазором (см. рис. 2-24, д), силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компенсация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, остается неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.
Зависимость емкости от внешних условий. Относительное изменение емкости С=eS/d определяется как gC=ge+gS–gd. Площадь S, как правило, определяется линейными размерами, составляющими 10 – 100 мм, и изменение этих размеров на 0,1–1 мкм вызывает пренебрежимо малое изменение площади S и емкости С.
Зазор d в ЭС преобразователях составляет 10 мкм – 1 мм, и его изменения даже на 0,1 мкм могут вызвать существенную погрешность. Поэтому при конструировании ЭС преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов и защиты от выпадения на рабочих плоскостях электродов каких-либо осадков (герметизация, вакуумирование и т.д.). Одной из основных причин изменения зазора является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под действием температуры.
Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий: при изменении температуры на 10 °С ge = 0,002%, при изменении влажности от 30 до 40% ge=0,01%, при изменении давления на 105 Н/м2 ge = 0,06%. Стабильными диэлектриками являютсятакже плавленый кварц (ge= 5·10-6 K-1) и стекло.
Диэлектрическая проницаемость ряда керамик, в особенности сегнетокерамик, наоборот, сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления. На основе сегнетокерамических материалов выпускаются различные типы варикондов — переменных конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от приложенного напряжения, используемых в схемах допускового контроля напряжения, а также сегнетокерамические преобразователи реле контроля температуры. Достоинства сегнетокерамических преобразователей – малое потребление мощности (сопротивление между электродами на постоянном токе 108–109 Ом) и, следовательно, малый самонагрев. Недостатками, мешающими их широкому использованию в измерительных цепях, являются плохая воспроизводимость характеристик у различных образцов и критичность к влиянию внешних факторов. Например, характеристики варикондов зависят от температуры, а температурные характеристики реле контроля температуры зависят от напряженности поля.
Дата добавления: 2015-01-26; просмотров: 4790;