Емкостные преобразователи. 
Средства автоматизации и управления

Физические принципы построения емкостных преобразователей

Сущность работы емкостных измерительных преобразователей заключается в изменении под действием измеряемой физической величины их электрической емкости, что, в свою очередь, отражается на величине их выходного сигнала.

Электрическая емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, определяется по формуле.

где п — число пластин; А — площадь одной стороны пластины; <7 —толщина диэлектрика, расположенного между пластинами; е₀ — относительная диэлектрическая проницаемость этого диэлектрика; е, — диэлектрическая проницаемость вакуума, т. е. вполне определенная константа.

Существует три принципиальных способа для построения емкостных измерительных преобразователей.

На рис. 4.1, а показано изменение электрической емкости в зависимости от расстояния между пластинами конденсатора, а.

Рис. 4.1. Изменение электрической емкости конденсатора в зависимости от расстояния между его пластинами.

Рис. 4.2. Изменение электрической емкости конденсатора в зависимости от площади перекрытия его пластин.

на рис. 4.1,6 приведена статическая характеристика такого преобразования, т. е. зависимость С = C (d). Эта характеристика представляет собой обратно пропорциональную (гиперболическую) зависимость.

На рис. 4.1, в показано дифференциальное изменение электрической емкости путем введения между пластинами конденсатора дополнительной металлической пластины, имеющей собственный электрический вывод, а на рис. 4.1, г приведена статическая характеристика такого преобразования, т. е. зависимости С, = С,(с0 и С₂=С₂(6), где С, и С'— соответственно электрические емкости конденсаторов, лежащих выше и ниже средней металлической пластины.

На рис. 4.2, а показано изменение электрической емкости в зависимости от площади перекрытия (т. е. действующей величины А) пластин конденсатора, а на рис. 4.2, б приведена статическая характеристика такого преобразования, т. е. зависимость СС (А). Эта характеристика представляет собой прямую пропорциональную зависимость.

На рис. 4.3, а показано изменение электрической емкости изменением относительной диэлектрической проницаемости (введением и перемещением диэлектрика между пластинами конден;

Рис. 4.3. Изменение электрической емкости конденсатора введением и перемещением диэлектрика между его пластинами сатора), а на рис. 4.3, б приведена статическая характеристика такого преобразования, т. е. зависимость С= С (е₀). Эта характеристика представляет собой прямую пропорциональную зависимость, но начинающуюся не от начала координат, а от е₀ = 1 при С = С₀

Максимальная чувствительность преобразователя имеет место, когда пластины максимально близки друг к другу. Однако принято считать, что расстояние между ними не может быть меньше, чем 100 мкм, поскольку пластины могут быть непараллельными, не плоскими и обладать излишней шероховатостью, а потому существует опасность их соприкосновения.

Для измерений смещений менее 1 мм применяют емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами. Для измерения смещений, превышающих 1 мм, чаще всего используются преобразователи с изменяющейся площадью перекрытия пластин. Следует отметить, что в современных емкостных преобразователях обеспечивается возможность измерения перемещений порядка долей микрона.

Роль одной из пластин конденсатора может выполнять само изделие, перемещение которого подлежит измерению.

Емкостные преобразователи могут быть использованы как для статических, так и для динамических измерений, но применяются главным образом в стационарных условиях для проведения стендовых исследований и прецизионных измерений физических величин.

Эти датчики чувствительны к температурным колебаниям, изменению влажности. Они могут давать ошибочный или искаженный сигнал, если соединительные провода имеют большую длину и собственные емкость и индуктивность. Калибровка таких датчиков должна производиться вместе с кабелем.

Для подключения емкостных датчиков особенно важно использовать бифилярную обмотку, что позволяет при питании переменным током исключить влияние распределенной электрической емкости и индуктивности соединительного кабеля. Бифилярная обмотка в общем случае представляет собой витки из уложенных рядом проводников, обеспечивающих противоположное направление протекания тока, что ведет к уничтожению полей, создаваемых протекающими по виткам токами, а именно эти поля создают реактивное сопротивление соединительных кабелей. Таким образом, можно считать, что бифил ярная обмотка обладает чисто активным омическим сопротивлением. Схема бифилярной обмотки приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема бифилярной обмотки.

Для измерения емкостного сопротивления целесообразно использовать дифференциальную схему. По первому варианту дифференциальной схемы (рис. 4.5) и эталонное емкостное сопротивление 7, и измеряемое емкостное сопротивление 4 включаются в электрические контуры, симметрично питаемые переменным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного и измеряемого емкостных сопротивлений 1 и 4 противоположно направленные токи 7, и 7₂ в этих контурах будут равными по величине, так что результирующий ток через измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, поскольку по первому закону Кирхгофа он равен алгебраической сумме токов 7, и 7₂. В данном случае этот ток представляет собой разность модулей токов 7, и 7₂. При изменении величины емкостного сопротивления показания измерительного прибора 3 будут отличаться от нуля и однозначно отображать это изменение емкостного сопротивления. Эта схема называется дифференциальной именно потому, что она основана на вычитании друг из друга токов 7, и 7₂.

Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопротивления с помощью дифференциальной схемы приведен на.

Рис. 4.5. Дифференциальная схема измерений емкостного сопротивления.

Рис. 4.6. Дифференциальная схема измерений емкостного сопротивления с нулевым током через измерительный прибор рис. 4.6. Здесь также происходит вычитание друг из друга модулей токов /, и /₂, но изменение измеряемого емкостного сопротивления 4 компенсируется изменением напряжения ?, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается равным нулю. Величина А?, на которую нужно изменить исходное напряжение ?, однозначно определяет величину изменения измеряемого емкостного сопротивления. Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор позволяет использовать его как нуль-индикатор, что повышает точность измерений. Для этой цели и применяется такой вариант дифференциальной схемы.