Измерительные преобразования в электрических полях

Эти измерительные преобразования основаны на физических эффектах, результатом которых является преобразование в электрический сигнал характеристик электрических полей или электрических характеристик материалов и изделий. Обычно при данном виде измерительных преобразований объект измерения или его часть помещается в постоянное или переменное электрическое поле, создаваемое между электродами, контактирующими с электропроводящим объектом измерения (электронотенциальное и электрохимическое измерительные преобразования), либо между обкладками электрического конденсатора (электроемкостное измерительное преобразование).

Электроемкостное измерительное преобразование

Электроемкостное измерительное преобразование основано на зависимости комплексного электрического сопротивления конденсатора от различных факторов.

Конденсатор образуется двумя сближенными проводниками, разделенными диэлектриком (рис. 3.1).

^с Рис. 3.1. Электрический конденсатор: а. b — проводники; с — диэлектрик.

Проводники заряжаются равными и противоположными по знаку зарядами q. Вследствие взаимного притяжения разноименных зарядов поверхностная плотность зарядов будет выше на обращенных друг к другу частях поверхностей проводников, чем на других частях. Между проводниками должна существовать разность потенциалов U = <�р_в — <�р_л. Оценка конденсаторов производится по величине электрической емкости С, представляющей собой отношение величины заряда q к разности потенциалов U:

Единицей измерения емкости является фарада, Ф = Кл/В. Физический смысл емкости может быть проиллюстрирован следующими примерами. Предположим, что заряд емкости осуществляется от источника постоянного фиксированного напряжения U. Значение накапливаемого при этом электрического заряда пропорционально емкости конденсатора: q = С U.

Таким образом, чем больше емкость конденсатора, гем больший заряд можно в нем накопить от одного и того же источника. Соответственно при фиксированном значении заряда конденсатора разность потенциалов между проводниками обратно пропорциональна значению емкости: Uq/C. Чем больше емкость конденсатора, тем меньшая работа требуется для заряда конденсатора до фиксированного значения.

Рис. 3.2. Примеры практического использования электроемкостного измерительного преобразования для измерения уровня жидких или сыпучих диэлектрических материалов (а, б), измерения толщины листов из диэлектрических материалов (в), измерения диаметра изделий из электропроводящих материалов (г):

1 — электроды; 2 — объект измерения

Расчет емкости конденсаторов с обкладками различной формы производится на основе уравнений электромагнитного поля. В табл. 3.1 приведены некоторые достаточно распространенные конструктивные варианты электроемкостных измерительных преобразователей, для которых получены аналитические выражения уравнений преобразования. На рис. 3.2 показаны примеры практического использования таких преобразователей для решения некоторых задач измерения и контроля.

При реализации электроемкостного измерительного преобразования в качестве информативного параметра выходного электрического сигнала конденсатора может использоваться не только значение емкости, но и значение активного сопротивления конденсатора. Физической основой такой возможности является следующее. Комплексное электрическое сопротивление идеального конденсатора определяется исключительно емкостью между его обкладками и имеет только реактивную компоненту (рис. 3.3, а). Электрическое сопротивление диэлектрика такого конденсатора принимается равным бесконечности, а активная компонента комплексного электрического сопротивления конденсатора, соответственно, равной нулю. Основные отличия реального конденсатора от идеального заключаются прежде всего в конечности электрического сопротивления его диэлектрика, а кроме того в наличии активного и реактивного сопротивлений подводящих проводов, наличии паразитных емкостей, обусловленных конструктивными особенностями конкретного конденсатора. Схема замещения реального конденсатора обычно приводится к виду рис. 3.3, б.

Рис. 3.3. Схемы замещения и векторные диаграммы идеального (а) и реального (б) электрических конденсаторов

Ввиду отличия схем замещения идеального и реального конденсаторов существенно различаются и векторные диаграммы токов и напряжений, характеризующие работу конденсаторов в цепях переменного синусоидального тока (рис. 3.3, а, б). В случае идеального конденсатора разность фаз между током и напряжением составляет 90°. В случае реального конденсатора ввиду наличия тока /,. через эквивалентное активное сопротивление г фазовый сдвиг между суммарным током / и напряжением на конденсаторе U_c отличается от 90° на угол 5, называемый углом потерь. Обычно вместо угла рассматривается tg S, который для эквивалентной схемы рис. 3.3, б равен:

где со — угловая частота переменного тока.

Величина, обратная tg8, называется добротностью Q:

Угол потерь, и, соответственно tg6, для разных диэлектриков различен. В табл. 3.2 приведены примерные значения tg5 и Q для наиболее широко используемых в конденсаторах диэлектрических материалов.

Таблица 3.2.

Электрические свойства некоторых диэлектриков

Значение угла потерь зависит также от действия на диэлектрик внешних факторов: температуры и влажности окружающей среды, частоты и амплитуды подаваемого напряжения, интенсивности воздействия ионизирующими излучениями. Благодаря этому существует возможность путем измерения угла потерь получать измерительную информацию о перечисленных выше параметрах.

Рис. 3.4. Линейное (а, 6) и угловое (в, г) перемещения подвижной обкладки конденсатора под действием сил электростатического взаимодействия разноименно заряженных обкпадок