Конструкции ёмкостных преобразователей

На рисунке 5.3 а показано устройство ёмкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединённых конденсаторов: конденсатор С_г образован частью электродов и диэлектриком-жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С₀ — остальной частью электродов и диэлектриком-воздухом. Ёмкость преобразователя.

где l₀ — полная длина цилиндра; I — длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; в — диэлектрическая проницаемость жидкости; и R₂ — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Рис. 5.3. Конструкции ёмкостных преобразователей.

На рисунке 5.3 б изображён ёмкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости. Ёмкостный зонд был предложен для измерения высоты волн, он представляет собой остеклованный электрод 1. Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3.

Ёмкость.

где I — глубина погружения; в — диэлектрическая проницаемость стекла; и R₂ — внешний и внутренний радиусы стеклянного покрытия. Вместо специального электрода может быть использован кусок провода, покрытого изоляцией, не смываемой жидкостью.

На рисунке 5.3 в показан принцип устройства ёмкостного преобразователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора.

Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить 5, площадь обкладок S, толщину ленты 8_Л и её диэлектрическую проницаемость е_л, то ёмкость С можно выразить как:

На рисунке 5.3 г показан принцип устройства ёмкостных преобразователей с переменной площадью пластин, используемых для измерения угла поворота вала. Пластина 1, жёстко скреплённая с валом, перемещается относительно пластины 2 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Достоинством ёмкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность соответствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением ёмкости и входным угловым или линейным перемещением. Преобразователи с переменной площадью применяются для измерения перемещений, больших 1 мм.

Для измерения малых перемещений (10-⁶…10-³ м) получили применение преобразователи с переменным зазором. Принцип устройства подобного дифференциального преобразователя изображён на рисунке 5.3 д. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается поступательно под воздействием измеряемой силы F. Обкладки 1 и 3 неподвижны. Ёмкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 — уменьшается.

Как видно из приведённых примеров, область применения ёмкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например, давлений.

При современной технологии изготовления датчиков начальный зазор может быть доведён до 5… 10 мкм, а порог чувствительности по перемещению оценивается значениями порядка 105…140 А. Огромным достоинством ёмкостного элемента является также принципиальное отсутствие шумов в отличие от резистивных и индуктивных элементов, а также отсутствие самонагрева. Всё это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются ёмкостные преобразователи. Наблюдается также тенденция к применению ёмкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.