Емкостные первичные преобразователи

Емкостной преобразователь представляет собой конденсатор, имеющий два электрода площадью S, разделенных слоем диэлек­трика толщиной d с абсолютной диэлектрической проницаемо­стью ε_а.

Заряд конденсатора определяется по формуле

q=CU,

где q — заряд на каждой из пластин конденсатора, [q] = Кл;

— емкость конденсатора, [С] = Ф; ε_а = εε ₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость, [ε_а] = Ф/м; ε₀ = 8,85-10 ^-12 Ф/м — электрическая постоянная — абсолютная диэлектрическая прони­цаемость вакуума; ε — относительная диэлектрическая прони­цаемость диэлектрика, ε > 1; U — разность потенциалов, или напряжение на конденсаторе, [U] = В.

Рис. 3.4. Схемы индуктивных датчиков перемещений

При изменении емкости С за счет изменения расстояния меж­ду электродами d, их площади S или средней диэлектрической проницаемости пространства между ними ε_а в цепи конденсатора возникает электрический ток I = Δq/Δt. На этом основано дей­ствие емкостных измерительных преобразователей. Емкость С и реактивное сопротивление Z_с = 1__

ωС конденсатора в цепи переменного тока с круговой частотой ω= 2πf могут изменяться при пере­мещении щупа и изменении зазора между обкладками (рис. 3.14, а). Это датчики для измерения перемещений 0,001... 1 мм. Рис. 3.14, б иллюстрирует работу дифференциального преобразователя, в котором подвижная обкладка 2 перемещается щупом между не­подвижными обкладками 1 и 3. Диэлектриком является воздух. При перемещении обкладки 2 влево емкость между обкладками 1 и 2 растет, между 2 и 3 — убывает. Емкостные преобразователи с переменным зазором отличаются высокой чувствительно­стью (до 500 В/мм), линейной зависимостью сопротивления от зазора, малыми погрешностями и простотой конструкции. Они применяются для измерения малых перемещений.

Емкость С и реактивное сопротивление Z_c могут изменяться при перемеще­нии щупа и изменении площади пластин конденсатора вследствие сдвига обкладок относительно друг друга (рис. 3.5, в). Это датчи­ки для измерения перемещений более 1 мм. Достоинством таких преобразователей является возможность соответствующим выбо­ром формы подвижной и неподвижной пластин получить задан­ную функциональную зависимость между изменением емкости и входным перемещением. Еще один вариант конструкции емкост­ного датчика: емкость С и реактивное сопротивление конденсатора Z_c реагируют на перемещение щупа и изменение средней ди­электрической проницаемости за счет перемещения диэлектрика между обкладками (рис. 3.5, г). Датчики такой конструкции удоб­ны, когда оказывается нежелательным электрическое соединение щупа с подвижной пластиной преобразователя.

Естественной входной величиной емкостного преобразователя является перемещение, естественной выходной величиной — его непрерывно меняющаяся емкость и реактивное сопротивление, поэтому эти датчики относятся к аналоговым параметрическим. В качестве измерительных цепей используются неравновесные мо­сты переменного тока в сочетании с дифференциальным преоб­разователем, емкости которого являются активными плечами моста.

Рис. 3.5. Схемы емкостных датчиков: / — 4 — обкладки

.

На рис. 3.6, а приведен емкостной инкрементный датчик с переменной площадью пластин, используемый для измерение больших угловых перемещений, например угла поворота вала привода подач станка. Ротор 2, жестко скрепленный с валом 3. перемешается относительно статора 1 так, что длина зазора между ними остается постоянной, а ширина меняется периодически, вызывая периодическое изменение емкости преобразователя. На рис. 3.6, б приведена схема абсолютного датчика для измерения небольших угловых перемещений. Емкостные датчики применяются для измерения уровня токонепроводящих жидкостей и сыпучих тел, толщины различных тел и покрытий в процессе их изготовления, а также линейных и угловых перемещений в широком диапазоне.

Такие датчики являются дискретными, инкрементными, па­раметрическими

Рис. 3.6. Емкостные датчики угловых перемещений с переменной

емкостью пластин: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — вал