Емкостные преобразователи

Емкостные преобразователи находят широкое применение для преобразования перемещений, углов поворота, силы, диэлектрической проницаемости, размеров, уровня и других физических величин. Емкость плоского конденсатора определяется

где ε = ε₀ ε_r – диэлектрическая проницаемость, ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, ε₀=8,85 пФ/м, ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость (для воздушного диэлектрика ε_r=1), S – площадь пластин, δ – расстояние между пластинами.

На рис. 3.32 представлены схемы емкостных преобразователей линейных перемещений: а) с изменением зазора δ; б) дифференциальный преобразователь линейного перемещения; в) преобразователь емкостный с изменением площади пластин; г) дифференциальный преобразователь угла поворота; д) емкостный преобразователь перемещений с изменением диэлектрической проницаемости; е) емкостный преобразователь измерения линейных размеров диэлектрических изделий.

Р ис. 3.32а, б, в, г, д, е. Схемы емкостных преобразователей линейных перемещений

Для измерения уровня жидкости применяется трубчатый емкостный преобразователь (рис. 3.33,а).

Р ис. 3.33. Емкостные преобразователи

Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С₁ образован частью электродов и диэлектриком-жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С₀ – остальной частью электродов и диэлектриком (воздухом). Емкость преобразователя

С = С₁ + С₀ = k [ε₀ε_rh_x + (L₀ – h_x) ε₀],

где , L₀ – полная длина цилиндра, h_x – длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью, R₁, R₂ – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

Упростим выражение для С

С = к [ε₀ε_rh_x + L₀ε₀ – h_xε₀] = к[ε₀L_{0 +} h_xε₀(ε_r – 1)],

где kε₀L₀ – емкость при h_x = 0; kε₀L₀ = C₀.

Тогда емкость равна

C = k [C_{0 +} h_xε₀(ε_r – 1)].

Изменение емкости пропорционально уровню h_x.

С – С₀ = kh_xε₀(ε_r – 1)= .

На рис. 3.33,б показан принцип устройства емкостного преобразователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 плоского конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить δ, площадь обкладок S, толщину ленты t_л и ее диэлектрическую проницаемость – ε_л, то емкость преобразователя:

На рис. 3.33,в показан принцип устройства дифференциального емкостного преобразователя для измерения малых перемещений. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается поступательно под воздействием измеряемой силы F, обкладки 1 и 3 неподвижны. Под действием силы емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 уменьшается. Можно измерять перемещения до десятых и сотых долей мкм.

Для измерения угловых перемещений 0 ÷ 180° применяется емкостный преобразователь (рис. 3.33,г), состоящий из m роторных пластин и (m + 1) – статорных пластин. Роторные пластины (при повороте ротора) заходят между статорными пластинами, изменяя емкость преобразователя

где α – угол поворота, S – площадь роторной пластины, δ₀ – зазор между статорной и роторной пластинами.

Изменяя площадь роторных пластин по определенному закону, можно получить нелинейную характеристику емкостного преобразователя угловых перемещений. Изолируя зазоры между обкладками электротехнической слюдой, можно значительно уменьшить зазор δ₀ и увеличить выходной сигнал. Величина емкости преобразователя невелика и для большинства составляет 10 ÷ 100 пФ. Выходная мощность емкостного преобразователя

P = I_c U_c =

Повысить мощность можно, увеличивая частоту питания. В измерительных цепях необходимо применение операционных усилителей (ОУ).