Исследование емкостно-диодной измерительной схемы

    Рис. 1 Эквивалентная схема ЭС преобразователя

    Конструкции емкостных преобразователей. На рис. 2 показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. 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

                                     (14)

      где l ₀ -  полная длина цилиндра; l – длина на которую цилиндр заполнен жидкостью; e - диэлектрическая проницаемость жидкости; R₁ и R₂ - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

    На  рис. 2,б изображен емкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости. Емкостный зонд был предложен  для измерения высоты волн и представляет собой остеклованный электрод 1 . Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3 . Емкость

                                                           (15)

     где l – глубина погружения; e - диэлектрическая проницаемость стекла; R₁ и R₂ – внешний и внутренний радиусы стеклянного покрытия. Вместо специального электрода может быть кусок провода, покрытого изоляцией, не смачиваемой жидкостью.

    Рис. 2. Конструкции емкостных преобразователей

    На  рис. 2, в показан принцип устройства емкостного преобразователя для  измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить δ, площадь обкладок S , толщину ленты δ_л и ее диэлектрическую проницаемость ε_л , то емкость C можно выразить как

                                                       (16)

    На  рис. 2, г показан принцип устройства емкостных преобразователей с переменной площадью пластин, используемых для измерения угла поворота вала. Пластина 1 , жестко скрепленная с валом, перемещается относительно пластины 2 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность соответствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым и линейным перемещением. Преобразователи с переменной площадью применяются для измерения перемещений, больших 1 мм.

    Для измерения малых перемещений (10 ^-6 - 10^-3) получили применение преобразователи с переменным зазором. Принцип устройства подобного дифференциального преобразователя изображен на рис. 2, д. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается поступательно под воздействием измеряемой силы F . Обкладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 - уменьшается.

    Огромным  достоинством емкостного элемента является также принципиальное отсутствие шумов в отличие от резистивных и индуктивных элементов и отсутствие самонагрева. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи.

    Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных неэлектрических величин по четырем направлениям: измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана либо с δ, либо с S, либо с ε, либо с диэлектрическими потерями конденсатора. В последних двух случаях емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества. При этом естественной  входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел.

    В подавляющем же большинстве случаев  практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга.

    Они используются в качестве уровнемеров, толщиномеров; для измерения влажности материалов; в качестве динамометров – приборов для измерения давлений сил; для измерения кручения вала; измерения вибраций, ускорений и т. д.

    Электростатические  преобразователи с изменяющейся емкостью используются в различных датчиках прямого преобразования, а также как преобразователи неравновесия в датчиках уравновешивания.

    Область применения емкостных преобразователей весьма разнообразна, однако наиболее широко они используются для измерения малых перемещений и величин, легко преобразуемых в перемещение, например давлений.

    При современной технологии изготовления датчиков начальный зазор может  быть доведен до 5 – 10 мкм и порог  чувствительности по перемещению оценивается значениями порядка 10^-14 м. Все это приводит к тому, что в настоящее время в качестве наиболее высокочувствительных преобразователей в научных исследованиях используются емкостные преобразователи. Наблюдается также тенденция к применению емкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.

    Габаритные  размеры емкостных преобразователей обычно определяются конструктивными соображениями. Однако следует всячески стремиться к увеличению емкости преобразователя, так как это уменьшает его выходное сопротивление и облегчит требования, предъявляемые к измерительной цепи и изоляции преобразователя.

    Для увеличения емкости преобразователя  зазор между пластинами уменьшают, насколько это возможно по технологическим и конструктивным соображениям. Он обычно составляет 100 - 500 мкм, а в некоторых преобразователях даже 10 – 20 мкм. При таких малых зазорах изменение их в процессе работы на 1 – 0,1 мкм уже может вызвать существенное изменение емкости, поэтому воздушный зазор должен быть тщательно защищен от влаги, пыли и паров, способных вызвать коррозию.

    При проектировании емкостных преобразователей одним из важных вопросов является способ изоляции и крепления электродов. Лучшими свойствами обладают керамические изоляционные материалы, однако, их поверхностное сопротивление сильно зависит от загрязнения и влажности, поэтому при выборе крепления деталей преобразователя нужно предусмотреть минимальное влияние поверхностных сопротивлений изоляции на полное сопротивление утечки.

    Для того чтобы в зависимости от температуры  не изменялось расстояние между пластинами емкостного преобразователя, нужно подобрать материалы с соответствующими коэффициентами линейного расширения. Температурная погрешность нуля в значительной степени снижается при применении дифференциальных преобразователей.

    Выходное  сопротивление преобразователя при заданной емкости падает с ростом частоты, поэтому частоту напряжения питания не следует выбирать меньше 500 - 1000 Гц, а большинство измерительных цепей работает на частотах 10⁵ – 10⁷  Гц.

    Емкости большинства преобразователей составляют 10 – 100 пФ, и поэтому даже при относительно  высоких частотах напряжения питания (10⁵–10⁷ Гц) их сопротивления велики и равны Ом. Выходные мощности емкостных преобразователей малы, и в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания емкостных преобразователей достаточно велики, и напряжения питания, как правило,  ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

    Основной  трудностью построения измерительных  цепей с емкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируется. Однако экранированный провод имеет емкость С_жэ между жилой и экраном ( С = 50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включенной параллельно емкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение емкости уменьшается, и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью емкости С_жэ, поскольку любые изменения этой емкости воспринимаются как изменение рабочей емкости. Поэтому при построении измерительной цепи с емкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразитных емкостей.

    Кроме того, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что емкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора d ), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемостью e).

    С емкостными датчиками применяются  различные измерительные цепи –  делители напряжения, мостовые схемы, резонансные контуры, схемы с кольцевым диодным детектором [1], причем последние обладают достаточной чувствительностью. Однако они имеют ряд ограничений, обусловленные взаимным шунтирующим влиянием диодов.

    При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рис 3, а.

     Тогда провода, идущие к вершинам а и б, могут быть без экранов, а емкость С_жэ провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис. 3, б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.

    Рис. 3. Измерительные  цепи, расположенные

    На  рис. 4  представлена емкостно-диодная  измерительная цепь дифференциального датчика с заземленной пластиной. Емкости датчика С₁ и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов С₃. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов ( Д1, Д4 или Д2, Д3 ). При этом каждый из конденсаторов С₃ соединяется последовательно то с емкостью С₁ , то с емкостью С₂ . При неравенстве емкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃ , текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение U_вых определится приближенным соотношением

    Рис. 4. Емкостно-диодная измерительная  цепь

    Нестабильность  выходного напряжения определяется  неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

     Возможный вариант цепи (рис.5, а), предназначенный для телеизмерений, показан на рис.5, б. Здесь по одному коаксиальному кабелю передается переменное напряжение U от источника на датчик и постоянное напряжение U_вых – с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор С₃ и резистор R₁. Показанные на схеме (рис.5, б) значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.

    Рис. 6. Измерительные цепи с резонансными контурами

    На  рис.6 приведены измерительные цепи с резонансными контурами. Цепи питаются от источников со стабильной частотой  w₀. При изменении емкости С преобразователя (рис.6, а) сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис.6, б) и при достигает максимума.

    На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному. Пренебрегая сопротивлением R₂ по сравнению с сопротивлениями wL и R₁ и полагая

напряжение  на контуре можно выразить соотношением

Зависимости U_к  / U_пит представлены на рис. 6, б.

    Допустимое  напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1 – 10 мм эта напряженность составляет 2 – 3 кВ/мм. При зазорах, меньших 0,1 мм, можно не снижать напряжения, так как при напряжениях, меньших 350 В, воздушный промежуток вообще не пробивается независимо от длины зазора.

    Для большинства диэлектриков пробивная напряженность при электрическом пробое при нормальной температуре составляет 100 – 500 кВ/мм. Однако допустимое напряжение конденсаторов с диэлектриком определяется не только электрическим, но и тепловым пробоем, напряженность при котором зависит от геометрических, тепловых и электрических параметров преобразователя и уменьшается с увеличением частоты обратно пропорционально .