3.2 Емкостные преобразователи

Действие емкостных преобразователей основано на преобразовании входной величины в изменение емкости конденсатора. В общем случае емкость конденсатора С есть произведение диэлектрической проницаемости ε на геометрическую проводимость G зазора между электродами: С = εG.

С = f (Х) – функция преобразования емкостного преобразователя.

Существует большое количество емкостных преобразователей. Они служат для измерения уровня, толщины ленты диэлектрика, угла поворота, перемещения, давления. Конструктивные схемы емкостных преобразователей выполняются в различных вариантах в зависимости от области применения. При измерении уровней жидких и сыпучих тел находят применение цилиндрические или плоские конденсаторы, емкость которых характеризуется уровнем и зависит от диэлектрических проницаемостей жидкости, изоляции и воздуха. Для измерения толщины ленты из диэлектрика ее протягивают между электродами. Для измерения малых перемещений (до единиц микрометров), а также точного измерения быстроменяющихся сил и давлений применяются дифференциальные емкостные преобразователи.

Изменение емкости конденсатора можно достичь изменением входной величины: расстояния d между двумя (и более) электродами (рис. 3.3, а); площади S электродов, образующих собственно емкость (рис. 3.3, б); диэлектрической проницаемости ε среды между электродами (рис.3.3, в) и другими способами.

а) б) в)

Рис. 3.3. Емкостные измерительные преобразователи

Емкость плоскопараллельного конденсатора С = ε · S/d. Емкость цилиндрического конденсатора вычисляется так: С = 2 · π · ε · ℓ/ln (D₂ /D₁), где ℓ – длина цилиндра; D₁ и D₂ – внутренний диаметр внешнего и наружный диаметр внутреннего цилиндра соответственно.

Достоинства: высокая чувствительность, простота конструкции, отсутствие шумов, инерционность, отсутствие самонагрева, габаритные размеры определяются конструктивными соображениями, малый вес, возможность измерения быстро протекающих процессов, возможность получения различных характеристик по характеру. Недостатки: необходимость установки усилителя, необходимость экранирования, воздушный зазор должен быть тщательно защищен от влаги, пыли и паров, способных вызвать коррозию.

3.2.1 Динамический конденсатор, или емкостной вибрационный преобразователь

Применяется для измерения мало меняющихся во времени малых токов или напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением.

Неподвижные электроды 1 и 2 укреплены на изоляторах 3 (рис. 3.4). Мембрана 4 служит подвижным электродом. К электроду 1 через резистор R₁ подводится измеряемое напряжение U_х. К электроду 2 подводится возбуждающее напряжение U_∞, под действием которого между электродами 2 и мембраной 4 возникает электростатическая сила.

Рис. 3.4. Конструкция динамического конденсатора

Достоинства: простота, дешевизна. Недостатки: дрейф напряжения между электродами конденсатора [5].