Коаксиальные епп имеют конструкцию, отличительной особенностью которых является выполнение электродов в виде цилиндров, вложенных друг в друга, как показано на рис.3
Р
ис.3
Емкостный
первичный преобразователь коаксиального
типа
Функция преобразования этого епп определяется выражением
(5)
а чувствительность выражением
Q
=
(6)
1.2.Функция преобразования и структурная схема приборов первичных информации на основе емкостных преобразователей
Рассмотрим
функцию преобразования
и структурную схему прибора первичных
информации на основе емкостного
первичного преобразователя (ЕПП) на
примере его реализации на основе плоского
конденсатора, описываемое выражением
(25,1).
В общем случае, учитывая, что зависимость можно оценить через элементарное приращенное емкости С и представить его в виде ряда Тейлора, ограниченного линейными членами, т.е в виде
.
(7)
Если
в последнее выражение подставить
частные производные
,
,
,
полученные из выражения (1) и записать
его в приращениях и в относительной
форме, то получим
(8)
Изменение свойств среды диэлектрика характеризуется двумя параметрами:
–
диэлектрической
проницаемостью
r
углом диэлектрических потерь tg.
Все диэлектрики, используемые в конденсаторах ЕПП, принято разбивать на три группы:
– полярные
>12 (чистая
вода, радиотехническая керамика
> 80, эти диэлектрики характеризуются
зависимостью тангенса угла потерь
от частоты питающего напряжения
;.
электропроводность этих диэлектриков
G
10-3
См/ м);
– слабополярные 3 6 ( кварц 4,5; стекло 4,0; эбонит 3; удельная электропроводность этих диэлектриков G 10-13…10-9 См/ м)
– неполярные < З (парафин 2,5; янтарь 2,8; сжиженные газы
1,25…1,5; другие газы: водород = 1,00027; кислород = 1,00065; азот = = 1,00068; воздух = 1,0006; удельная электропроводность этих диэлектриков G = 0,5 (10-10…10-15) См/ м).
В электрических измерительных цепях ЕПП представляется схемой замещения, показанной на рис.4. :
Рис.4. Электрическая схема замещения емкостного первичного преобразователя
(Rc – сопротивление утечки диэлектрика)
При
анализе особенностей процесса
измерительного преобразования в ЕПП
необходимо записать его выходной сигнал
в виде элементарного изменения емкостного
составляющей его полного сопротивления
,
т.е
.
(9)
Как правило, удобнее оценивать относительное изменение приращения емкостного сопротивления, т.е.:
(10)
где Q Qs Q приведенные чувствительности ЕПП к каждой из входных величин , s, .
(11)
(12)
(13)
где
– начальное значение емкостного
сопротивления.
Таким образом, на основе выражений (11) – (13) можно сделать вывод о том, что относительное изменение реактивного сопротивления ЕПП является:
во
– первых линейной функцией изменения
зазора
(11), а во – вторых нелинейной функцией
изменения площади перекрытия пластин
S
(12) и
диэлектрической постоянной
(13). В связи с
этим значения относительных изменений
и
обычно находится в пределах 0,2 – для
одинарных ЕПП; 0,4 – для дифференциальных
ЕПП.
При разработке ЕПП необходимо учитывать как минимум два ограничения.
Первое
ограничение состоит в том, что при одном
и том же значении
абсолютное приращение хС
растет с уменьшением 0,
т.к.
.
Это приводит к росту Uвых,
но это ограничено пробоем межэлектродного
промежутка.
Второе ограничение – наличие силы электрического притяжения пластин (обкладок) ЕПП.
.
Эта сила должна быть намного меньше, чем измеряемое давление р должно существенно превышать силы F электрического притяжения пластин, т.е. должно строго выполняться неравенство р>>F. Это ограничивает нижний предел измеряемых сил (давлений).
При измерениях различных неэлектрических величин могут возникнуть погрешности, вызванные влиянием температуры и влажности. Под влиянием температуры могут изменяться геометрические размеры датчика, а также диэлектрическая проницаемость (в датчиках с твердым и жидким диэлектриком). Эти погрешности могут быть сведены к минимуму путем выбора соответствующей конструкции датчика (правильный выбор геометрических размеров деталей с учетом их температурных коэффициентов расширения). В значительной степени температурная погрешность снижается при применении дифференциальных измерительных схем.
При выборе конструкции датчика необходимо учитывать минимальное расстояние между пластинами во избежание электрического пробоя конденсатора. Минимальное расстояние воздушного промежутка принимают равным порядка 30 мкм. Можно значительно увеличить напряжение питания, помещая между обкладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку.
На основе зависимостей (1), (8)…(11) и учетом необходимости включения ЕПП в электроизмерительную схему, а также последующего усиления и фильтрации его выходного сигнала можно процесс измерительного преобразования представит в виде структурной схемы, приведенной на рис.5.
Из структурной схемы на рис.5 следует, что основными источниками погрешностей являются: колебания частоты и амплитуды питающего напряжения; отклонения не измеряемых параметров, например, расстояния между обкладками конденсатора от температуры = f(T), сопротивления утечки Rc = f() и диэлектрической проницаемости = f() от влажности, если входной величиной
является площади перекрытия пластин S.
Изменение конструктивных параметров ЕПП под влиянием температуры обусловлено различием температурных коэффициентов расширения элементов, входящих в конструкцию конденсатора.
Рис.5. Обобщенная структурная схема прибора первичной информации
на основе емкостного первичного преобразователя
Высокое емкостное сопротивление конденсаторов ЕПП на частотах f = 50 Гц
составляет порядка xс =107 Ом, т.е. оно становится соизмеримым с сопротив-лением утечки Rc , что приводит к усилению влияния погрешностей, связанных паразитными токами утечки. Для уменьшения влияния этого источника погрешностей величину емкостного сопротивления уменьшают за счет выбора частоты питающего напряжения в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких мегогерц.
Полученные расчетные величины показывают, что емкость С имеет значение порядка нескольких десятков пикофарад, а емкостное сопротивление xс на промышленной частоте по своей величине соизмеримо с сопротивлением изоляции. При такой большой величине емкостного сопротивления на работу схемы, в которую включается датчик, будут оказывать влияние токи утечки и токи наводок (сигналы помех, возникающие от влияния паразитных параметров, становятся соизмеримыми с рабочим сигналом емкостного датчика). Для уменьшения емкостного сопротивления необходимо увеличивать емкость конденсатора и частоту источника питания. Иногда для увеличения емкости используются датчики, состоящие из ряда пластин, которые погружаются в диэлектрик с большой диэлектрической проницаемостью r. Для уменьшения влияния токов утечки и токов наводок применяют экранированные провода (кабели с двойным экраном).
При измерениях различных неэлектрических величин могут возникнуть погрешности, вызванные влиянием температуры и влажности. Под влиянием температуры могут изменяться геометрические размеры датчика, а также диэлектрическая проницаемость (в датчиках с твердым и жидким диэлектриком). Эти погрешности могут быть сведены к минимуму путем выбора соответствующей конструкции датчика (правильный выбор геометрических размеров деталей с учетом их температурных коэффициентов расширения). В значительной степени температурная погрешность снижается при применении дифференциальных измерительных схем.
При выборе конструкции датчика необходимо учитывать минимальное расстояние между пластинами во избежание электрического пробоя конденсатора. Минимальное расстояние воздушного промежутка принимают равным порядка 30 мкм. Можно значительно увеличить напряжение питания, помещая между обкладками конденсатора тонкую слюдяную пластинку.
Существенное влияние на выходной сигнал ЕПП могут оказывать находящиеся в непосредственной близости металлические элементы конструкций, на которые устанавливается ЕПП. Поэтому ЕПП и отходящие от них провода требуется экранировать. Однако, экранирующие кабели способны существенно изменять свою емкость при изгибах, что обусловлено изменением положения токоведущего провода относительно экрана.
Преимущества ЕПП:
1) высокая чувствительность; поэтому они применяются для измерения быстропеременных параметров: давления; вибрации; ускорения; уровня жидкости; состава смеси; перемещений первичных измерителей, обладающих малым собственным моментом, и др.;
2) малый вес и габариты;
3) небольшая величина силы взаимодействия между пластинами, обусловленная электрическим полем; в некоторых случаях этой величиной можно пренебречь;
Недостатки емкостных датчиков:
1) необходимость усиления снимаемого сигнала (наличие усилителей напряжения на выходе);
2) необходимость тщательной экранировки датчика от влияния паразитных емкостей и посторонних электрических полей;
3) необходимость применения источника напряжения повышенной частоты (от 1 кГц до десятков мегагерц).