ЕМКОСТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Емкостные измерительные преобразователи представляют собой конденсатор той или иной конструкции, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Емкостные измерительные преобразователи состоят из двух электродов в виде пластин, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется ёмкость конденсатора. Для емкостных измерительных преобразователей с плоскими пластинами ёмкость будет равна:

,                                                     (11.1)

 где – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего межэлектродное пространство;  – диэлектрическая постоянная, =8,85*10 Ф/м; S – площадь перекрытия электродов; δ – расстояние между электродами.

При перемещении пластины в линейном направлении (x) измерительного преобразователя зависимость емкости С от перемещения х относительно линейна. Линейность при х=L нарушается вследствие краевого эффекта.

 где .                                   

В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя будет равна:

 .

При этом чувствительность S – постоянна и существенно зависит от расстояния между электродами δ (чем меньше δ, тем выше S).

                а)                                     б)                                 в)

Рис. 11.1. Емкостной измерительный преобразователь (а) и его
функции преобразования при изменении перекрытия пластин х (б)
и зазора δ между пластинами (в)

Если изменяемой входной величиной является расстояние между электродами δ, то функция преобразования представляет собой гиперболическую зависимость емкости С от δ и является существенно нелинейной (рис. 11.1. в).

Чувствительность такого преобразователя зависит от δ, а её максимальное значение ограничивается пробивным напряжением воздушного зазора и техническими возможностями изготовления таких емкостных измерительных преобразователей.   

При этом чувствительность S для этого варианта реализации преобразователя будет равна:

.

Емкостные измерительные преобразователи с естественной входной величиной δ часто выполняется по дифференциальной схеме (рис. 11.2 – а), обеспечивающей увеличение чувствительности и линеаризацию функции преобразования (рис. 11.2. б).

а)                                                          б)

			линейный участок

Рис. 11.2. Дифференциальнаяые схема включения емкостного
измерительного преобразователя (а) и его функция преобразования (б)

               а)                                                                  б)

Рис. 11.3. Емкостные измерительные преобразователи с изменяемой диэлектрической проницаемостью диэлектрика

Третьей возможной естественной входной величиной для емкостного измерительного преобразователя является диэлектрическая проницаемость  (рис. 11.3). 

Ёмкость такого преобразователя будет определяться как ёмкость двух, параллельно включённых конденсаторов (рис. 11.3. а), один из которых  – образован частью электродов и диэлектрической пластиной, а другой  – образуется частью электродов с межэлектродным пространством, незаполненным диэлектрической пластиной:

                                       ,

где S – общая площадь электродов;  – часть площади диэлектрической пластинки между электродами; ε – диэлектрическая проницаемость между пластинами.

Конструктируются емкостные измерительные преобразователи и с круговым перемещением электродов (рис. 11.3. б), где естественной входной величиной является угол поворота α.

11.2 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Емкостные измерительные преобразователи включаются в какую-то измерительную цепь и при этом изменение ёмкости преобразователя преобразуется в изменение напряжения, в изменение тока или же в частоту синусоидального или импульсного тока. Основные трудности при использовании емкостных измерительных преобразователей:

1) необходима защита от внешних электростатических полей;

2) большое выходное сопротивление измерительных преобразователей, что требует усилителей с высоким коэффициентом усиления.

Существует множество измерительных цепей включения емкостных измерительных преобразователей. Рассмотрим в качестве примера генераторную схему включения емкостного измерительного преобразователя (рис. 11.4):

а)                                                б)

Рис. 11.4. Схема включения емкостного измерительного преобразователя в резонансный контур (генераторная) (а) и его принцип работы (б)

Генератор Г через разделительный трансформатор Т питает резонансный LC контур. Ёмкость контура состоит из ёмкости С₁ емкостного измерительного преобразователя и ёмкости С* подстроечного конденсатора. При этом частота и напряжение генератора постоянные. При изменении ёмкости С₁ выходное напряжение контура изменяется по резонансной кривой (рис. 11.4. б). При изменении ёмкости на ∆С напряжение на выходе изменяется на ∆U. Подстроечный конденсатор служит для настройки контура на требуемую чувствительность, которая равна: .

Рис. 11.5. Схема включения дифференциального емкостного преобразователя с двумя пластинами в мостовую схему, работающую
 в неравновесном режиме

На рис. 11.5. показана мостовая схема включения емкостного
преобразователя.

В такой схеме С₁ и С₂ составляют собственно дифференциальный емкостной преобразователь.

Схема должна учитывать также ёмкости С_Э1, С_Э2, С_Э3, С_Э4 экранирования соединительных проводов. Ёмкости экранирования включаются в диагональ мостовой цепи параллельно с активными сопротивлениями R и входят в полные сопротивления плеч моста.

Для того, чтобы изменения эквивалентных емкостей экранов мало влияли на выходное напряжение моста, сопротивления R должны быть малыми.

Ёмкость экрана С_Э5 не входит в уравнение равновесия моста и мало влияет на выходное напряжение.

Необходимость экранирования цепей при использовании емкостных измерительных преобразователей, связана с малой собственной ёмкостью преобразователя и высоким собственным сопротивлением. Для уменьшения собственного сопротивления  емкостные измерительные преобразователя должны питаться напряжением высокой частоты .              

а)                                                              б)

Рис. 11.6. Диодно-емкостная цепь для включения емкостных измерительных преобразователей (а) и диаграмма ее работы (б)

Необходимость экранирования связана также с влиянием внешних электрических полей на работу схемы.

Другой схемой включения емкостного измерительного преобразователя может служить диодно-емкостная цепь (рис. 11.6.).

В этой схеме собственно дифференциальный емкостной измерительный преобразователь (С₁ и С₂) подключаются к источнику переменного напряжения U_~ через ёмкости С₃, С₄ и диоды VD1, VD2, VD3, VD4. При положительной полярности напряжения конденсатор С₁ заряжается через С₃ и диод VD1, а при отрицательной полярности разряжается через С₄ и VD2. Конденсаторы С₃ и С₄ имеют равные ёмкости, а диоды VD1 и VD2 – равные прямые сопротивления. При этом, если питающее напряжение синусоидальное, то такое же синусоидальное напряжение будет на точке е, причём значение напряжения определяется значением С₁. Аналогично, напряжение на С₂ (точка d ) также будет изменяться синусоидально и зависеть от С₂.

Если все диоды имеют одинаковые прямые сопротивления, то при С₁=С₂ напряжения на них одинаковы и напряжения между точками е и d отсутствует. При С₁≠С₂ напряжение между точками е и d, будет иметь переменную форму и пропорционально разности (С₁ – С₂). Это напряжение будет выпрямляться в течение одной половины периода диодами VD1, VD2, второй – VD3, VD4.

Среднее напряжение  будет определяться по формуле:

.