Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей

Ёмкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, и поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (10⁵—10⁷Гц) их выходные сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет емкость С_ж.э между жилой и экраном (С~50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается на величину , и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью емкости С_ж.э., поскольку любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости ∆C_o. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразиты емкостей.

Кроме этого, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора δ), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости ).

Для работы с емкостными преобразователями применяют и измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры-делители напряжении, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, резонаторы.

Очень часто в состав современных измерительных цепей включают также операционные усилители (ОУ).

На рис. 10.1 показана схема цепи с ОУ, построенная по принципу делители напряжения. В данном случае . Как видим, с помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂ ( ) или изменение площади конденсатора С₁ ( ).

В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемой величины будет линейной.

В схеме 10.1 емкости экранированных проводов С_э1, С_э2, С_э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости С_э1 и С_э3 включены параллельно источнику сигнала U_~ и ОУ, имеющим низкие выходные сопротивления. Емкость же С_э2 включена параллельно входам ОУ, и напряжение на ней близко к нулю.

Дифференциальные емкостные преобразователи включаются преимущественно в мостовые измерительные цепи. На рис. 10.2 даны примеры таких цепей, содержащих мосты с индуктивно-связанными плечами.

Выходной сигнал в цепи (рис.10.2а) подан на вход повторителя напряжения, выполненного на ОУ. Если принять, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равно U_~, выходное напряжение равно

Емкости С_э1 и С_э3 экранированных проводов, соединяющих датчик с трансформатором, включены параллельно полуобмоткам трансформаторов и роли не играют. Для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего датчик с усилителем, приценяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой гели используется провод с двойным экраном. Наружный экран присоединяется к земле, а внутренний к выходу повторителя напряжения. Ток с центрального проводника на внутренний экран отсутствует, так как равны между собой напряжения в точках а и б относительно земли. Ток между внутренним и внешним экраном не сказывается на работе устройства, поскольку нагружает низкоомный выход повторителя напряжения.

Необходимость в двух экранах отпадает при подсоединении хода моста к инвертирующему входу ОУ (рис. 10.2б). Поскольку потенциал на этом входе усилителя весьма близок к нулю, то ток между проводом, подсоединенным к этому входу, и окружающим его экраном будет практически равен нулю. Для цепи (рис. 10.2б) верно соотношение

На рис. 10.2б показана модификация мостовой цепи при емкостном токосъеме с подвижной пластины. Экраны и паразитные емкости на схеме рис. 10.2в и на последующих схемах не показаны с целью упрощения рисунков.

Обозначим емкости между неподвижными и подвижной пластинами индексом, соответствующим номеру неподвижной пластины.

Рисунок 10.2

В плечо моста входят емкости С₁+С₅ и С₂+С₆. Через емкость C₃+С₄ подключена вершина измерительной диагонали моста к выходу ОУ. В результате выходное напряжение U_вых определится формулой:

(10.1)

При перемещении пластины в направлении, указанном стрелкой, емкость С₁+C₅ увеличивается, емкость С₂+С₆ уменьшается, а емкость токосъема С₃+С₄ остается почти неизменной, так как емкость С₃ увеличивается, а емкость С₄, уменьшается.

В схеме, приведенной на рис. 10.2г, показано, как с помощью охранных электродов улучшить характеристики емкостных преобразователей. Здесь емкостные преобразователи образованы пластинами 1, 4 и 2, 6. Пластины же 3, 5, 7 служат охранными электродами, Поскольку пластины 4 и 6 присоединены к инвертирующему входу ОУ, то напряжение на них весьма близко к нулю. Поэтому поле между пластинами 1 и 3, 4, 5, а также между пластинами 2 и 5, 6, 7 будет практически однородным. Благодаря этому исключается влияние краевого эффекта на работу преобразователей (краевые искажения поля теперь будут наблюдаться между пластинами 1. 2 и 3, 5, 7).

Общим недостатком схем, приведенных на рис. 10.1 и 10.2, является то, что они могут быть рекомендованы только для датчиков, у которых все пластины изолированы от корпуса, что иногда бывает трудно реализовать конструктивно. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рис. 10.3а.

Рисунок 10.3

Тогда провода, идущие к вершинам а и б, могут быть без экранов, а емкость С_ж.э. провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис. 10.3б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.

На рис. 10.4 представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика C₁ и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С₃. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (Д1, Д4 или Д2, ДЗ). При этом каждый из конденсаторов С₃ соединяется последовательно то с емкостью C₁, то с емкостью C₂. При неравенстве емкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение U_вых определится приближенным соотношением:

(10.2)

Нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны

Рисунок 10.4

тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

Рисунок 10.5

Возможный вариант цепи (рис. 10.4а), предназначенный для телеизмерений, показан на рис. 10.4б. Здесь по одному коаксиальному кабелю передается переменное напряжение U_~ от источника на датчик и постоянное напряжение U_вых - с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор С₃ и резистор R₁. Показанные на схеме (рис. 10.4б) значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.

На рис. 10.5 приведены измерительные цепи с резонансными контурами. Цепи питаются от источников со стабильной частотой ω₀.

Три изменении емкости С преобразователя (рис. 10.5а) сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис. 10.5б) и при достигает максимума.

На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R₂ по сравнению с сопротивлениями ωL и R₁ полагая , , , , напряжении на контуре можно выразить соотношением

(10.3)

Зависимости представлены на рисунке 10.5б.