2.5 Ємнісні вимірювальні перетворювачі

2.5.1. Призначення і класифікація

Ємнісний ВП використовують для вимірювання регульованої координати, яка являє собою механічні переміщення, рівень рідини, концентрацію, зусилля чи вологість.

Ємніснийвимірювальний перетворювач являє собою конденсатор, в якому зміна проміжку між пластинами, площі перекриття пластин або діелектричної проникності діелектрика, який помістили між пластинами, перетворюється в змінення ємності.

Ємнісні вимірювальні перетворювачі можна розділити на такі групи в залежності від вибраної класифікаційної ознаки:

1. за призначенням ємнісного давача: давачі лінійного і кутового переміщення; давачі рівня і лінійних розмірів; давачі концентрації і вологості; давачі темпратури; давачі зусиль;

2. за конструктивним виконанням на давачі: з плоскопаралельними пластинами конденсатора; з циліндричною формою конденсатора; з наявністю діелектрика між пластинами; без діелектрика;

3. за видом змінюваного параметра конденсатора на давачі: зі змінюваною площею перекриття пластин; зі змінюваним зазором між обкладинками конденсатора; зі змінюваною діелектричною проникністю.

2.5.2. Принцип дії і характеристики ємнісних вимірювальних перетворювачів

Ємнісні вимірювальні перетворювачі працюють на змінному струмі. Принцип їх дії заснований на зміні ємності конденсатора, що визначається співвідношенням

(2.5.1)

де ε - відносна діелектрична проникність діелектрика; s – площа пластини; δ товщина діелектрика або відстань між пластинами; , 1/м, під впливом контрольованої координати керованого об’єкта. Як видно з (2.5.1) на ємність конденсатора можна впливати зміненням зазоруδ між пластинами (рис. 2.5.1,а), площі перекриття s пластини (рис. 2.5.1, б), діелектричної проникності ε речовини, що знаходиться в зазорі між обкладинками конденсатора (рис. 2.5.1, в).

Вибір того або іншого параметра конденсатора в якості змінюваного залежить від характеру вимірюваної величини. Так, при вимірюванні кутових механічних переміщень найбільш зручно використовувати в якості змінюваного параметра площу перекриття пластин (рис. 2.5.2). В цьому випадку ємність вимірювального перетворювача буде

(2.5.2)

або, враховуючи, що всі величини в (2.5.2) постійні, окрім вимірюваної змінної φ:

.

Відповідно, статична характеристика такого ємнісного давача буде лінійною.

При вимірюванні лінійного переміщення в якості змінюваного параметра конденсатора можна вибрати величину δ (див. рис. 2.5.1, а), тоді , а статична характеристика вимірювального перетворювача буде нелінійною. В зв’язку з цим такі давачі потрібно використовувати в тих випадках, коли діапазон змінення контрольованої величини відповідає порівняно невеликій ділянці характеристики, на якій її можна вважати лінійною. Як правило, величина переміщення не повинна перевищувати 1 мм. При вимірюванні порівняно великих лінійних переміщень доцільно використовувати в якості змінюваного параметра конденсатора площу перекриття пластин.

Потрібно відмітити, що розглянуті ємнісні давачі не володіють властивістю реверсивності. Подолання цього недоліку здійснюється шляхом використання мостових схем включення двотактних ємнісних вимірювальних перетворювачів (рис. 2.5.2, а).

Ємність кожного плеча такого ємністного давача у відповідності з (2.5.1):

; ,

де δ₁ і δ₂ - величина зазору для нижньої і верхньої частин схеми відповідно.

При переміщенні Δ=0 ємності С₁ і С₂ рівні С₁=С₂=С₀. Якщо значення Δ0, то відбувається зміна ємностей;.

Вихідна напруга мостової схеми:

(2.5.3)

Отже, статична характеристика двотактного ємністного давача являє собою лінійну функцію (рис. 2.5.3). При зміні напрямку переміщення середньої пластини фаза вихідного сигналу зміщується на 180⁰ по відношенню до фази напруги живлення давача, що є опорною напругою.

Слід зауважити, що підключення навантаження призводить до викривлення лінійності, однак при малих значеннях Δ характеристику з достатнім ступенем точності можна вважати лінійною.

Застосування ємнісних вимірювальних перетворювачів для вимірювання таких фізичних параметрів, як лінійні розміри, концентрація речовини, вологість, температура, зусилля основано на використанні властивостей зміни діелектричної проникності в залежності від зміни вимірюваного параметра. Так, наприклад, при зміні вологості проникність повітряного зазору між обкладинками змінюється. Подібне явище має місце і в випадку зміни концентрації, тобто складу речовини непровідного середовища (газ, непровідна рідина) в зазорі. Діелетрична проникність більшості діелектриків не залишається сталою і при зміні температури, при цьому температурний коефіцієнт їх можна вважати достатньо високим. Проникність при температурі , де ε - діелектрична проникність при температурі; α –температурний коефіцієнт;. Дуже зручним для використання в якості діелектричної прокладки конденсатора, яка є сприймаючим органом, при зміні температури в діапазоні100⁰ вважається група діелектриків з титанових з’єднань, у яких ε=15…90, а . Для ряду матеріалів існує залежність відносної зміни діелектричної проникності від величини механічних напруг. Ця властивість використовується як основна при побудові ємнісних вимірювальних перетворювачів, що реагують на величину зусиль. При цьому діелектрична проникність в залежності від величини тиску ΔР визначається як , деS – чутливість матеріалу до відносної зміни діелектричної проникності .

Під’єднання ємнісних давачів зі змінною діелектричною проникністю здійснюється за мостовою або диференціальною схемами. Для збільшення чутливості давача використовується паралельне під’єднання обкладинок конденсаторів, для яких створюють однакові умови, наприклад, у випадку вимірювання зусиль на стовп з ряду давачів діє одна і та ж сила Р, при вимірюванні концентрації давачі розміщуються в одне і теж середовище і т.п.