3.2.6. Емкостные первичные преобразователи

Емкостной преобразователь представляет собой конденсатор, имеющий два электрода площадью S, разделенных слоем диэлектрика толщиной d с абсолютной диэлектрической проницаемостью е_а.

Заряд конденсатора определяется по формуле

где q — заряд на каждой из пластин конденсатора, [q] = Кл;

С = е_а емкость конденсатора, [С] = Ф; _а = ₀ — абсолютная

диэлектрическая проницаемость, [ ]= Ф/м; , = 8,85*10^-12 Ф/м — электрическая постоянная — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; — относительная диэлектрическая прони­цаемость диэлектрика, ≥ 1; U — разность потенциалов, или напряжение на конденсаторе, [U] = В.

При изменении емкости С за счет изменения расстояния между электродами d, их площади S или средней диэлектрической проницаемости пространства между ними , в цепи конденсатора возникает электрический ток I = ΔQ/Δt. На этом основано действие емкостных измерительных преобразователей. Емкость С и

реактивное сопротивление конденсатора в цепи перемен-

ного тока с круговой частотой = 2πf могут изменяться при перемещении щупа и изменении зазора между обкладками (рис. 14, а). Это датчики для измерения перемещений 0,001... 1 мм. Рис. 14, б иллюстрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижная обкладка 2 перемещается щупом между неподвижными обкладками 1 и 3. Диэлектриком является воздух. При перемещении обкладки 2 влево емкость между обкладками 1 и 2 растет, между 2 и 3 — убывает. Емкостные преобразователи с переменным зазором отличаются высокой чувствительностью (до 500 В/мм), линейной зависимостью сопротивления от зазора, малыми погрешностями и простотой конструкции. Они применяются для измерения малых перемещений. Емкость С и реактивное сопротивление Z_c могут изменяться при перемещении щупа и изменении площади пластин конденсатора вследствие сдвига обкладок относительно друг друга (рис. 14, в). Это датчики для измерения перемещений более 1 мм. Достоинством таких преобразователей является возможность соответствующим выбором формы подвижной и неподвижной пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным перемещением. Еще один вариант конструкции емкостного датчика: емкость С и реактивное сопротивление конденсатора Z_c реагируют на перемещение щупа и изменение средней диэлектрической проницаемости за счет перемещения диэлектрика между обкладками (рис. 14, г). Датчики такой конструкции удобны, когда оказывается нежелательным электрическое соединение щупа с подвижной пластиной преобразователя. Рис. 14, д иллюстрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижный элемент 3 из диэлектрика (например, кварца) перемещается щупом между неподвижными обкладками 1, 2 и 4. При перемещении щупа влево подвижный элемент заполняет пространство между обкладками 1 и 4. Так как е диэлектрика больше е воздуха, то средняя , и емкость между обкладками 1 и 4 растут, в то время как емкость между обкладками 2 и 4 падает.

Естественной входной величиной емкостного преобразователя является перемещение, естественной выходной величиной — его непрерывно меняющаяся емкость и реактивное сопротивление, поэтому эти датчики относятся к аналоговым параметрическим. В качестве измерительных цепей используются неравновесные мосты переменного тока в сочетании с дифференциальным преобразователем, емкости которого являются активными плечами моста.

Рис. 14. Схемы емкостных датчиков: 1 — 4 — обкладки

В качестве пассивных плеч используются низкоомные резисторы, полуобмотки трансформатора или индуктивности.

Емкость большинства емкостных преобразоваетелей очень мала и составляет 10... 100 пФ, поэтому даже на высоких частотах их реактивное сопротивление велико (10³... 10⁷ Ом), ток в измерительной цепи и мощность выходного сигнала малы, что требует использования усилителя, соединенного с преобразователем с помощью экранированного или коаксиального провода. И экра­нированный, и коаксиальный провод снижают электромагнитные наводки, однако сами они обладают значительной емкостью между жилой и заземленным экраном. Все это усложняет измерительную цепь и снижает чувствительность и быстродействие измерительного прибора.

Таким образом, основной проблемой при создании емкостных измерительных приборов является устранение погрешности за счет емкости соединительного провода в сочетании с эффективной защитой слабого полезного сигнала от электромагнитных помех на соединительном проводе. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота питающего напряжения составляет обычно 10⁵... 10⁷ Гц (не меньше 500 Гц).

Такие датчики являются дискретными, инкрементными, параметрическими .

На рис. 15, а приведен емкостной инкрементный датчик с переменной площадью пластин, используемый для измерения больших угловых перемещений, например угла поворота вала привода подач станка. Ротор 2, жестко скрепленный с валом 3, перемещается относительно статора 1 так, что длина зазора между ними остается постоянной, а ширина меняется периодически, вызывая периодическое изменение емкости преобразователя. На рис. 15, приведена схема абсолютного датчика для измерения небольших угловых перемещений. Емкостные датчики применя­

Рис. 15. Емкостные датчики угловых перемещений с переменной

емкостью пластин: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — вал

ются для измерения уровня токонепроводящих жидкостей и сыпучих тел, толщины различных тел и покрытий в процессе их изготовления, а также линейных и угловых перемещений в широком диапазоне.