3.3.4.2 Емкостные измерительные преобразователи

Принцип действия емкостных ИП основан на зависимости емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок, а также от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Зависимость емкости конденсатора от размеров его обкладок и от взаимного расположения пластин используется для измерения перемещений и величин, которые могут быть преобразованы в перемещение, а зависимость емкости от диэлектрической проницаемости среды между обкладками – для измерения уровня жидкости, влажности, толщины материалов из диэлектрика.

Конденсатор, образованный двумя параллельными пластинами, разделенными диэлектриком, имеет емкость

, где

S – площадь поперечного сечения в перекрывающемся пространстве между двумя пластинами;

d – расстояние между пластинами;

, ₀ – соответственно диэлектрическая проницаемость среды между обкладками и вакуума.

Основным принципом построения емкостных ИП является изменение расстояния между пластинами и вариация диэлектрических свойств изолятора. Соответственно этому и имеется ряд различных конструкций емкостных ИП.

1 Ип с изменяемым расстоянием между пластинами.

Если одна пластина конденсатора зафиксирована, то изменение положения подвижной пластины ведет к изменению величины емкости (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 – Емкостные измерительные преобразователи с переменным расстоянием между пластинами.

Если одна пластина конденсатора зафиксирована (рис. 2.7, а), то изменение положения подвижной пластины ведет к изменению величины емкости. Такой преобразователь можно применять для измерения малых приращений смещения без контакта с измеряемым объектом. На рисунке 2.7, в изображен преобразователь, с помощью которого можно измерять давление. Функция преобразования обоих преобразователей изображена на рисунке 2.7, б.

2 Емкостный ип с переменной площадью пластин

Рисунок 2.8 – Емкостный ИП с переменной площадью пластин

Такая конструкция применяется в качестве выходного преобразователя для измерения электрических напряжений (емкостный потенциометр).

3 Емкостный ип с изменяющимся положением диэлектрика.

Действие емкостного ИП с изменяющимся положением диэлектрика основано на изменении относительного количества двух различных диэлектриков между пластинами конденсатора (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Емкостный ИП с изменяющимся положением диэлектрика.

Такое устройство может рассматриваться как параллельное соединение двух конденсаторов. Следовательно, их общая емкость будет равна сумме емкостей двух конденсаторов, образованных диэлектриками:

.

Таким образом, емкость конденсатора зависит от смещения х и может быть использована для измерения перемещения х. Функция преобразования такого преобразователя линейна.

Разновидностью такого преобразователя является преобразователь для измерения уровня жидкости, в котором пластины конденсатора образованы двумя проводящими концентрическими цилиндрами с двумя диэлектриками между ними.

При большом числе промежуточных преобразований в приборах прямого преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для ее снижения применяют дифференциальные ИП, которые имеют меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и повышенную чувствительность по сравнению с аналогичными недифференциальными ИП. Особенностью таких преобразователей является наличие двух каналов преобразования и дифференциального звена, имеющего один вход и два выхода (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 – Структурная схема дифференциального ИП.

При изменении входной величины х относительно начального значения х₀ выходные величины Y дифференциального ИП получают приращения с разными знаками относительно начального значения Y.

Дифференциальный вариант емкостного ИП представлен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 – Дифференциальные емкостные преобразователи: а) – с изменяемым расстоянием между пластинами; б) – с изменяемой площадью перекрытия пластин; в) – с изменяемым положением диэлектрика. Здесь 1 – подвижные пластины, 2 – неподвижные пластины, 3 – шток.

Благодаря повышенной чувствительности дифференциальные емкостные ИП могут использоваться для измерения малых (менее 1,0 мм) перемещений.

Погрешности преобразования емкостных ИП могут вызывать колебания температуры, влияющие как на линейные размеры, так и на диэлектрическую проницаемость; паразитные реактивности; неточность изготовления, особенно электродов сложной формы.