Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи

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 Емкостные преобразователи, 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 = f1 (e), С = f2 (s), С = f3 (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 = f3 (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 WЭ по перемещению подвижной пластины, Емкостные преобразователи, 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.

Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи

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 = f1 (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).

Емкостные преобразователи

Источники: http://studopedia.ru/16_77643_emkostnie-preobrazovateli.html