Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи представляют собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком.

В качестве емкостного преобразователя широко применяется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением:

(3.19)

где δ - расстояние между электродами;

S – площадь электродов;

ε₀ – электрическая постоянная;

ε_r – относительная проницаемость диэлектрика при изменении любого из этих параметров, изменяется емкость.

Преобразователь с прямоугольными электродами показан на рисунке 1.12

Рисунок 3.12 - Преобразователь с прямоугольными электродами

S=b*x - площадь конденсатора, которая меняется под действием перемещения на величину х. Из-за краевого эффекта диапазон перемещения ограничен, обеспечивая область линейного преобразования. Чувствительность такого преобразователя равна:

(3.20)

где δ - расстояние между электродами.

Чем меньше δ, тем выше чувствительность преобразования. Предельное значение δ обуславливается технологическими возможностями и приложенным напряжением.

3.3.1 Схемы включения емкостных преобразователей.

Схема недифференциального преобразователя показана на рисунке 3.13. в этой схеме применяется резонансная цепь.

Рисунок 3.13 - Схема недифференциального преобразователя

где G – генератор сигналов;

С₁ – подстроечный конденсатор;

С_ПР – емкость преобразователя;

Т – разделительный трансформатор.

Генератор через разделительный трансформатор питает резонансный контур LC. При изменении емкости СПР напряжение на контуре изменяется на величину ΔU.

Рисунок 3.14 – Зависимость C от U

С₁ предназначен для настройки контура на максимальную чувствительность:

(3.21)

Схема дифференциального емкостного преобразователя с использованием мостовой цепи, работающего в неравновесном режиме показана на рисунке 3.15

Рисунок 3.15 - Схема дифференциального емкостного преобразователя

где С₁, С₂ – емкостной дифференциальный преобразователь;

С_Э1÷С_Э5 – емкости экранов соединительных проводов и диагоналей моста;

R – сопротивление моста, предназначенное для уменьшения влияния изменения эквивалентных емкостей экранов.

Емкость экрана С_Э5 не входит в уравнение моста и ее изменение не влияет на работу моста.

В исходном состоянии С₁ и С₂ равны, и напряжение на входе усилителя равно 0. При неравенстве С₁ и С₂ , напряжение рассогласования усиливается и подается на измерительный прибор.

Емкостно-диодный дифференциальный преобразователь показан на рисунке 3.16

Рисунок 3.16 - Емкостно-диодный дифференциальный преобразователь

Конденсаторы С₃ и С₄ имеют одинаковые емкости, а диоды VD1÷VD4 – равны прямые сопротивления.

Если С1 ≠ С2, то напряжение U_СР =0. Если С1 ≠ С2 , то на выходе появится переменное напряжение, пропорциональное разности С1 - С2 . Оно равно:

(3.22)

Данная схема должна помещаться в корпус экранированный датчика.

3.3.2 Погрешности емкостных преобразователей

1. Температурная погрешность. Разнородные конструктивные материалы датчиков имеют различные коэффициенты линейные расширения. При изменении температуры t может привести к изменению расстояния между электродами.

2. Погрешности от токов утечек. Ток емкости преобразователей лежит в пределах от 1 до 100 пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователей достигает до 10⁷ Ом и более, что соизмеримо с сопротивлением изоляции. Уменьшают эту погрешность, увеличивая частоту питания до нескольких кГц и выше.

3. Погрешность от измерения емкости экранов. Она возникает при изменении влажности, t^oC, вибрации и других внешних условий.

Достоинства:

1. простота, малая масса и размеры;

2. возможность измерения быстропеременных величин;

3. возможность задания необходимых функции преобразования (линейная и нелинейная).

Недостатки:

1. малая емкость;

2. большое сопротивление;

3. сложность вторичных преобразователей из-за применения напряжения высокой частоты;

4. на результат измерения влияет изменение параметров кабеля, поэтому расстояние между измерительной цепью и вторичным прибором должно быть минимальным.