2. Емкостные пип для микромеров: основные понятия и определения, физические основы и классификация по измеряемой емкости, функциональные схемы и их расчетные модели

Емкостные микромеры содержат емкостный ПИП, преобразующий геометрические размеры в емкость и измеритель емкости, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины. Относятся к пассивным ПИП.

Х арактер и степень изменения емкости зависит от количества электродов, их потенциалов и геометрических размеров контролируемого образца. Датчик является 3-х электродным, если между его обкладками поместить контролируемый образец. При этом рассматривается 4 случая исходных схем ПИП.

1 – высокопотенциальный электрод

2 – низкопотенциальный электрод

3 – контролируемый образец

С₀ – конденсаторная емкость

С₁₂ – взаимочастичная емкость

С₁₂₃ – полная емкость

С₁₃ – взаимочастичная емкость

Связь между потенциалами и зарядами электродов определяется системой уравнений:

Q₁ = C₁₂ (V₁ -V₂) +C₁₃ (V₁ -V₃)

Q₂ = C₂₁ (V₂ -V₁) +C₂₃ (V₂ -V₃)

Q₃ = C₃₁ (V₃ -V₁) +C₃₂ (V₃ -V₂)

Разность V₁-V₂<0, т.к. V₁ – потенциал высокий

При коротком замыкании электродов 3 на 2 значение V₂=V₃ , тогда

С₁₂=Q₂ / V₁ -V₂ , С₁₃=Q₃ / V₁ –V₃

Каждая из емкостей может быть использована как информативный параметр.

Пути повышения технических характеристик емкостных пип

1. Ввод экранных электродов, что снижает влияние э/м наводок, повышает чувствительность ПИП и увеличить емкость С₀.

В преобразователях С₁₂, С₁₂₃ применение экранных электродов уменьшает паразитные потоки между высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами. В преобразователе С₁₃ защищает проводник 3 от магнитных полей.

С вводом экранных электродов исходные схемы ПИП примут следующий вид:

1 – высокопотенциальный электрод

2 – низкопотенциальный электрод

3 – контролируемый проводник

4 – экран

2. Ввод охранных электродов

Установка охранных электродов устраняет краевой эффект. Устранение краевого эффекта обеспечивается при условии равенства потенциалов электродов 1 и 5 в случае измерения С₀ и С₁₃ или электродов 2 и 5 при С₁₂ и С₁₂₃.

Обоснование расчетных моделей

Р асчетная модель должная учитывать главные факторы, определяющие электростатическое поле преобразователя, геометрические характеристики преобразователя, распределение напряженности на электродах и контролируемом проводнике, а так же особенности измерительной цепи и влияние активных и индуктивных сопротивлений контролируемого проводника.

О сновные требования к измерительной цепи

1. измеритель емкости должен быть высокой точности;

2. обеспечение заданных потенциалов контролируемого проводника и электродов;

3. min допустимые значения паразитных емкостей;

Этим условиям удовлетворяют трансформаторы с индуктивной связью между плечами.

Эквивалентная схема преобразователя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Эквивалентная схема ПИП

Отсутствие влияния контролируемого проводника можно обосновать следующими доводами:

1. индуктивное сопротивление контролируемого проводника очень мало по сравнению с активным;

2. емкостное сопротивление очень велико по сравнению с активным сопротивлением проводника.

В связи с этим плоскопараллельность поля в рабочей зоне ПИП не нарушается от внесения проводника.

В связи с этим схемы расчетных моделей примут следующий вид: