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 X_C 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.

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