Конспект лекции: Принцип действия емкостных ПИП



Принцип действия емкостных преобразователей основан на преобразовании контролируемых параметров в изменение емкости конденсаторов, которая является функцией расстояния δ между его электродами, эффективной площади электродов S и диэлектрической постоянной ε вещества, находящегося между электродами: C=C(δ,S,ε). В частности, если пренебречь краевым эффектом, емкость плоского конденсатора с двумя электродами C=εS/δ.

Таким образом, емкостные преобразователи можно применять для измерения различных неэлектрических величин, под действием которых меняется δ, S и ε конденсатора. Кроме того, можно использовать изменение диэлектрических потерь в конденсаторе.

В виду того, что прямое измерение емкости или её изменений вызывает трудности, обычно емкость датчика преобразуется в силу тока, напряжение или частоту, которые затем измеряют. В большинстве емкостных преобразователей входная величина – перемещение электродов. Однако при изменении состава вещества входная величина – состав вещества. Чувствительность емкостных преобразователей ∂C/ ∂δ=εS/δ2.

В преобразователях с переменной величиной воздушного зазора изменение емкости происходит по гиперболическому закону, что ограничивает рабочий ход электродов преобразователя. Обычно рабочий ход составляет не более 0,1 величины начального зазора δ0. Для спрямления характеристики используются дифференциальные преобразователи. Преобразователи с переменной площадью пластин используются для измерения больших перемещений (десятки сантиметров). Перемещение диэлектрика между обкладками дает линейное изменение емкости в больших пределах.

В преобразователях силы, в которых емкость измеряется при сжатии диэлектрика, в качестве последнего используется керамика из титаната бария.

Конструктивные выполнения датчиков могут быть различными. Минимальное расстояние между электродами выбирается из расчета диэлектрической прочности.

Для преобразования изменений емкости в соответствующие изменения тока, напряжения или частоты применяются различные электрические схемы: резонансные, мостовые и другие. При включении емкостных преобразователей в мостовые схемы необходимо:

  • - большое сопротивление в выходной диагонали моста;
  • - экранирование всех подводящих проводов;
  • - отсутствие элементов шунтирующих рабочие емкости.

Питание измерительных схем емкостных преобразователей осуществляется обычно переменным током повышенной частоты – от нескольких килогерц до десятков мегагерц. При низких частотах реактивное сопротивление преобразователя весьма велико, так как емкость не превышает несколько сот пикофарад.

При проектировании емкостных преобразователей следует иметь в виду, что зависимость емкости С от расстояния между пластинами δ имеет гиперболический характер, в то время как сопротивление XC зависит линейно от расстояния δ.

При включении емкостных дифференциальных преобразователей в мост напряжение на его выходе определяется по упрощенной формуле:

Как видно из этой формулы, нелинейность характеристики U=f(δ) определяется отношением входного сопротивления указателя к выходному сопротивлению моста.

Основными достоинствами емкостных преобразователей является большая чувствительность, относительно малые размеры и вес, а также очень малое обратное действие на контролируемый параметр.

К числу недостатков следует отнести:

  • - сильное влияние на точность преобразования паразитных емкостей и посторонних электрических полей, ввиду чего емкостные датчики необходимо очень тщательно экранировать;
  • - необходимость применения источников питания высокой частоты, так как на промышленной частоте мощность датчика очень мала, поэтому для обнаружения изменения емкости необходимо использовать достаточно чувствительную аппаратуру, а его сопротивление велико, из-за чего могут возникнуть большие погрешности, обусловленные паразитными утечками;
  • - влияние температуры на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость (в датчиках с твердым и жидким диэлектриком).

Первым усовершенствованием, существенно повышающим метрологические характеристики ПИП, является введение экранных электродов. Экраны обеспечивают значительную локализацию поля, создаваемого рабочими электродами преобразователя, и в результате существенно повышают его относительную чувствительность. Кроме того положительным эффектом экранов является резкое снижение электромагнитных наводок и, в ряде случаев, увеличения рабочей емкости, так как является частью высокопотенциального электрода.

Дальнейшее улучшение метрологических характеристик емкостных ПИП достигается путем установки охранных электродов, с помощью которых исключается влияние краевых полей у торцов преобразователя.

Кроме того, сам контролируемый проводник иногда является рабочим электродом ПИП. Установление соответствующих потенциалов на электродах и контролируемом проводнике позволяет создать плоскопараллельное поле в рабочей зоне преобразователя, что улучшает его метрологические характеристики.

Наибольшее применение емкостные ПИП получили при контроле малых перемещений, размеров изделий, уровней жидкостей, влажности и т.д.

Трехэлектродные ПИП используются в основном в емкостных микромерах.


Детальная информация кухонные гарнитуры екатеринбург у нас на сайте.


Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.