Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подключены выводы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением:

, (4.3)

где ε₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/м – диэлектрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума); ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; Q – активная площадь обкладок; δ – расстояние между обкладками.

Изменение любого из параметров δ, Q, ε_r изменяет емкость конденсатора. У преобразователя с прямоугольными электродами
(рис. 4.14, а) Q = bх и имеется некоторый диапазон перемещения пластин х, в котором емкость линейно зависит от х (рис. 4.14, б). Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зави­симости чувствительность такого преобразователя постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами δ:

. (4.4)

Рис. 4.14. Конструкция и характеристика емкостного датчика
с прямоугольными электродами: а – принцип действия; б – изменение емкости

Если изменяется расстояние δ между электродами, функция преобразования С = f(δ) представляет собой гиперболическую функцию.

Чувствительность такого преобразователя зависит от расстояния между пластинами δвыше, чем в случае (4.4):

.

Для увеличения чувствительности s целесообразно уменьшить δ. Предельное значениеδ определяется технологическими соображениями и приложенным напряжением. Надо учитывать, что при малых δ возможен электрический пробой между электродами.

Если перемещать диэлектрическую пластину в зазоре плоского конденсатора (рис. 4.15, а), то можно получить преобразователь с переменной диэлектрической проницаемостью. Емкость такого преобразователя определяется как емкость двух параллельно включенных конденсаторов. Один из них (С_ε) образован частью электродов и диэлектрической пластиной, другой (С₀) – оставшейся частью электродов с межэлектрод­ным пространством, не заполненным пластиной. Если принять, что пластина с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r имеет толщину δ, равную расстоянию между электродами, то функция преобразования преобразователя описывается выражением:

,

где Q – площадь электродов; Q_ε – часть площади диэлектрической пластины, находящаяся между электродами с диэлектриком.

Относительные диэлектрические проницаемости различных
твердых, жидких и газообразных сред приведены в приложении Б.

Емкостные преобразователи могут выполняться по дифференциальной схеме. Схема дифференциального преобразователя углового перемещения с переменной площадью электродов приведена на
рис. 4.15, б. В таких преобразователях средний подвижный электрод обычно соединяется с экраном. Данную конструкцию можно использовать для увеличения чувствительности, определяемой по (4.4),
в 2 раза.

а) б)

Рис. 4.15. Конструкции емкостных датчиков: а – с перемещаемой
диэлектрической пластиной; б – с переменной площадью электродов

Электроды емкостного преобразователя монтируются на изоляционных деталях или разделяются ими. Разнородные конструктивные детали датчика имеют различные коэффициенты линейного расширения. При изменении температуры это приводит к изменению расстояния между электродами. Хотя это изменение мало, оно может быть соизмеримо с расстоянием между электродами и приводит к температурной погрешности, имеющей аддитивную и мультипликативную составляющие. Первая может быть уменьшена применением дифференциальных преобразователей.

Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более
10⁷ Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и выше, вплоть до нескольких МГц. Поскольку полная емкость преобразователя изменяется в присут­ствии посторонних металлических предметов, преобразователь, а так­же идущие к нему провода и элементы измерительной цепи необхо­димо экранировать. Однако емкость экрана может изменяться под влиянием изменения влажности воздуха, вибрации и по другим причинам. Экранированные провода могут изменять свою емкость при их изгибах, когда токоведущий провод меняет свое положение относительно экрана. Эти изменения приводят к погрешности.

Основным недостатком емкостных преобразователей является их ма­лая емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток – сложность вторичных преоб­разователей. Недостатком также является и то, что результат измерения за­висит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.