Принцип действия и устройство

Емкостный преобразователь представляет собой конден­сатор, ёмкость которого изменяется под действием измеряе­мой неэлектрической величины.

Емкость плоского конденсатора можно выразить следую­щей формулой:

(4.1)

где e - диэлектрическая проницаемость среды между об­кладками (для воздуха электрическая постоянная e₀=8,85×10^-12 ô/ì); S - площадь обкладки в м², d - расстояние между обкладками в м.

Из формулы видно, что емкость конденсатора зависит от трех величин (e, S и d). Следовательно, измеряемая не­электрическая величина может быть функционально связана либо с e, либо с S, либо с d, либо с диэлектрическими потеря­ми конденсатора. Поэтому устройство емкостных преобразо­вателей может быть самым различным. Рассмотрим примеры использования их для измерения различных неэлектрических величин.

Емкостный уровнемер

Емкостный уровнемер, принципиальное устройство кото­рого показано на рис. 4.11, представляет собой коаксиальный конденсатор.

Рис. 4.11. Емкостной уровнемер (разработка Тишковской Е.А., Ткачевой Т.А.).

Его электроды 1 и 2 изолированы друг от друга. Емкость такого преобразователя С может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов, один из которых С₁ образован частью электродов и диэлек­триком - жидкостью, уровень которой измеряется, а другой С₀ - остальной частью электродов и диэлектриком - воздухом:

где l₀ - полная длина преобразователя в м; l - длина преобразователя, заполненного жидкостью в м; e₀ - электрическая постоянная воздуха в ф/м; e - диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров в м.

Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобра­зователя, емкость его будет изменяться в функции от уровня.

Толщиномер.

На рис. 4.12 представлен принцип действия емкостного тол­щиномера, измеряющего толщину ленты 1 из диэлектрика (например, резины).

Рис. 4.12. Емкостной тол­щиномер.

Лента протягивается между обкладками 2 конденсатора и в зависимости от ее толщины изменяется диэлектрическая проницаемость межэлектродного простран­ства. Если обозначить длину зазора между обкладками кон­денсатора через d, толщину ленты диэлектрика d_д, а диэлектрическую проницаемость ленты через e_Д, то емкость можно выразить как

Измерители силы и перемещений

При измерении механической силы или перемещения используется зависимость емкости от расстояния d между об­кладками 1 (рис. 4.13).

Рис. 4.13.Измеритель перемещения.

Зазор d изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия Р или перемещения.

Часто емкостные преобразователи выполняют дифферен­циальными, как показано на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Дифференциальный измеритель силы Р.

Обкладка 3 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы Р. Обкладки 1 и 2 неподвиж­ны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 3 уменьшается.

Такие преобразователи имеют большую чувствительность, а схемы с дифференциаль­ным преобразователем обеспечивают большую точность.

Емкостные преобразователи для измерения малых пере­мещений отличаются высокой чувствительностью, линейно­стью, малыми погрешностями и одновременно простотой кон­струкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев. делает их незаменимыми.

Измеритель угла поворота.

На рис. 4.15 изображен принцип устройства емкостного преобразователя для измерения угла поворота вала.

Рис. 4.15. Измеритель угла поворота вала.

Подвиж­ная обкладка измерителя 1, жестко скрепленная с валом 3, перемещается относительно неподвижной обкладки 2 так, что зазор между обкладками сохраняется неизменным, а изменя­ется действующая площадь обкладок, а следовательно, и ем­кость преобразователя. Рабочий зазор d несоизмеримо мал по отношению к зазору d₁.

Путем соответствующего выбора формы пластин можно получить любую функциональную зависимость между изме­нением емкости и входным угловым перемещением. Подобного типа преобразователи применяются и для измерения ли­нейных перемещений.