Емкостные преобразователи

В емкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет изменения параметров конденсатора Dd, Ds, De. При этом выполняются функции преобразования неэлектрических величин в изменение емкости или производится модуляция емкости, что имеет место в емкостных модуляторах, ЭС генераторах и др.

При работе преобразователя последовательно с его емкостью С включается сопротивление R (см. рис. 3), специально  предусмотренное или представляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости от соотношения сопротивлений R и 1/jWC преобразователь будет работать в разных режимах. Если R >> 1/WC или RWC >> 1, то UUr и заряд конденсатора qCU = const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного  заряда. В этом случае U=q/C=CU/(C+Csint)U[l-(C/C)sint] и выходным параметром преобразователя является переменная составляющая напряжения U. Этот режим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если R << 1/WC или RWC << 1, то падение напряжения будет и UUconst, т. е. преобразователь работает в режиме заданного напряжения. Для такого режима q=U(C+CsinWt); I=dq/dt=UCWcosWt и  выходной величиной является ток. Такой режим имеет место на малых частотах.

При питании емкостных преобразователей переменным  напряжением U=Usint между несущей частотой  и наибольшей  частотой W измеряемого сигнала должно сохраняться определенное соотношение. Если изменение емкости преобразователя,  обусловленное измерительным сигналом, меняется по закону C=C+CsinWt, то I=d(CU)/dt +UdC/dt или

I = CU[cost + C/ C) cost sint + 

+ (/) (C/ C) sint cos t]   (5)

В этом выражении первый член в скобках характеризует  несущее колебание, второй член пропорционален полезному  измерительному сигналу, а третий член является помехой. Для сведения помехи к допускаемому значению необходимо удовлетворить  условию / << l.

Поскольку емкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ, то необходимо учитывать сопротивление утечки  изоляции R, паразитную емкость С между электродами и  заземленными элементами, а также сопротивление Д и индуктивность L проводящих кабелей. На Рис.8 дана эквивалентная схема емкостного преобразователя. Необходимость учета всех указанных факторов возникает на достаточно высоких частотах (обычно свыше 10 МГц). Применяемые в емкостных преобразователях диэлектрики  неидеальны, и им свойственны потери. При идеальных диэлектриках сдвиг фаз между током и напряжением равен /2, а если  имеются потери, то этот сдвиг уменьшается на угол , называемый углом потерь. Обычно вместо угла рассматривается tg, который для эквивалентной схемы на Рис.8,б равен tg= 1/CR.

Величина, обратная tg, называется добротностью Q  емкостного преобразователя

Q=CR   (6)

Рис.8 Эквивалентные схемы преобразователя

Угол потерь (tg) для разных диэлектриков различен. Вместе с тем эта величина зависит от температуры, частоты,  напряжения на конденсаторе и влажности. Очевидно, что на  принципе измерения угла потерь можно строить различные приборы, например, влагомеры. Если менять частоту питающего  напряжения на конденсаторе преобразователя, то можно создать прибор для определения дисперсии диэлектрических жидкостей, газов и твердых тел.

В качестве измерительных цепей в емкостных преобразователях  применяются делители напряжения, мостовые схемы, колебательные контуры и автогенераторы. Поскольку сигналы, снимаемые с емкостных преобразователей, малы, то  измерительные цепи содержат усилители, а соединительные пропа­ла должны быть экранированы.

Рис. 9 Резонансные измерительные системы

Рис. 9 Резонансные измерительные системы

На Рис. 9 приведены измерительные цепи в виде параллельного  (а) и последовательного (б) колебательных контуров,  питаемых стабильным по амплитуде и частоте  напряжением U, снимаемым с генератора Г. При изменении емкости C=C+C напряжение (Рис. 9, а) или ток (Рис. 9, б) в цепи резонансного контура будут меняться, достигая максимума при резонансе =l/. На склонах, резонансной кривой (Рис. 9, в) мелено выбрать участок, близкий к линейному, в середине которого  выбирается рабочая точка М, соответствующая среднему значению емкости C преобразователя. При изменении емкости на  напряжение на выходе будет меняться на .

Емкостным преобразователь может быть элементом в схеме триггера. На Рис. 10 приведена схема мультивибратора, на  выходе которого генерируется непрерывная последовательность  импульсов.

Рис. 10 Схема триггера

При проектировании емкостных преобразователей следует  обращать внимание на экранирование проводов, выбор изоляции электролиз, устранение поверстного сопротивления изоляции и выбор частоты питания. Чем выше эта частота, тем меньше выходное сопротивление, поэтому нередко частоту питания  выбирают большой (до нескольких МГц).

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Конструктивные схемы емкостных преобразователей  выполняются различных вариантах в зависимости от области  применения (Рис. 11) При измерении уровней жидких и сыпучих тел находят применение цилиндрические или плоские конденсаторы (см. Рис. 11,а), емкость которых характеризуется уровнем х и зависит от диэлектрических проницаемостей жидкости , изоляции  и воздуха .

Рис. 11 Схемы устройства емкостных преобразователей

Для измерения толщины х ленты 3 из диэлектрика с  (см. Рис. 11, б) ее протягивают между электродами 1 и 2, расстояние межу которыми . Емкость конденсатора будет C=s/[(-x)/+x/, где -диэлектрическая проницаемость воздуха.

Для измерения малых перемещений (до единиц микрометров), а также точного измерения быстроменяющихся сил и давлений  применяются дифференциальные емкостные преобразователи с  переменным зазором (Рис. 11,в). Средний электрод конденсатора укреплен на упругом элементе (мембране, упругой пластинке, растяжках) между неподвижными электродами 1 и 2.

Рассматриваемая схема может быть использована в приборах уравновешивания. Для этого усиленный сигнал с конденсатора после фазочувствительного детектирования может быть подан на обкладки 1 и 2, вследствие чего на средний электрод будет  действовать электростатическая сила, уравновешивающая измеряе­мую силу. На Рис. 11, г и д показаны схемы устройства  емкостных преобразователей с переменной площадью. В схеме на Рис. 11, г диэлектрик 1 перемещается по стрелке, а в схеме на Рис. 11, д один из электродов 2 жестко связан с валом и  совершает угловые перемещения относительно неподвижного электрода 1.

Возможные области применения датчиков (в том числе и емкостных) чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:

*     промышленная техника измерения и регулирования,

*     робототехника,

*     автомобилестроение,

*     бытовая техника,

*     медицинская техника.

Применимость того или иного датчика в этих сферах  определяется прежде всего отношением цена/эф­фективность. При промышленном применении опре­деляющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна составлять 1...2%, а для задач контроля - 2...3%. В этих слу­чаях цены датчиков превышают 100 немецких марок ФРГ. Для специальных применений в области робо­тотехники и медицинской техники цены датчиков мо­гут достигать даже уровня 10...100 тыс. немецких ма­рок ФРГ. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыле­ние, химическое осаждение из газовой фазы, фотоли­тография и т. д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы применения датчиков, недоступ­ные ранее из-за их высокой цены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До недавнего времени конструкторы относились с пред­убеждением к емкостным датчикам, полагая, что схемы с емкостными датчиками не обеспечивают ни достаточной точности, ни стабильности работы приборов. Считалось обязательным для получения устойчивого сигнала на выхо­де емкостного датчика питать его напряжением высокой частоты, достигающей сотен килогерц, а иногда даже де­сятков мегагерц. Наличие такой высо­кой частоты в свою очередь приводило к потерям в паразитных емкостях, соединительных проводах и т. п. Для того чтобы повысить амплитуду сигнала, снимаемого с емкостного датчика, и улучшить стабильность показаний, некоторые авторы разработок применяли в пер­вом каскаде усилителя электрометрические лампы, допу­скающие включение сотен мегом в цепь управляющей сетки и т. д., однако все эти меры мало улучшали ста­бильность систем с емкостными датчиками и в то же вре­мя значительно усложняли конструкцию приборов.

Проведенные в настоящее время работы показали, что причина нестабильности работы систем с емкостными датчиками лежит в неправильном подходе конструкторов к проектированию датчиков, в частности, в неправильном расположении изолирующих элементов конструкции, не­стабильность свойств которых и приводит к ошибкам в работе систем. Эти трудности оказались преодолимыми, и уже созданы приборы с емкостными датчиками, обеспе­печивающие высокие точности и стабильность работы, выдерживающие тяжелые режимы эксплуатации. 

В настоящее время установлено, что емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками. К их достоинствам относятся:

1)   потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части (ротора) емкостного датчика;

2)   малое потребление энергии;

3)   простота изготовления;

4)   использование дешевых материалов;

5)   отсутствие контактов (в некоторых отдельных случаях -  один токосъем с помощью кольца и щетки);

6)   высокая точность и стабильность работы смстем, с емкостными датчиками;

7)   возможность широкой регулировки приборов с неко­торыми типами емкостных датчиков.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести высокое внутреннее сопротивление, достигающее десятков и даже сотен мегом, высокие требования к сопротивлению крепежных изолирующих деталей и необходимость рабо­ты на повышенной (по сравнению с 50 гц) частоте. Однако в большинстве случаев крепления емкостных датчиков мо­гут быть выполнены и из обычных материалов, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие резуль­таты на широко распространенной частоте 400 гц.

Ценные качества емкостных датчиков - малая величи­на механического усилия, необходимого для перемещения его ротора, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы - делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже  тысячные доли процента, а поэтому необходимо емкостные дат­чики развивать и осваивать.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1)А. Бондер, А. В. Алферов - «Измерительные приборы»

2)В. А. Ацюковский - «Емкостные датчики перемещения»

3)Г. Виглеб - «Датчики. Устройство и применение»

1	2

Copyright © Radioland. Все права защищены.
Дата публикации: 2004-09-01 (773 Прочтено)