Файл: Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тульский государственный университет.docx

напряжение на контуре изменяется на . Подстроечный конденсатор служит для настройки контура так, чтобы чувствительностъ измерительной цепи была максимальной:



Чувствительность резонансной цепи довольно высока и увеличивается с увеличением добротности контура. [6]

Часто преобразователи включают в цепи в виде делителя. На рисунке приведена схема цепи с операционным усилителем, построенная по принципу делителя напряжения.

В данном случае  .

С помощью такой цепи удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂(   ) или изменение площади конденсатора С₁ (   ).

В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемых величин будет линейной.



 

Рисунок 7. Схема включения преобразователя, построенная по принципу делителя напряжения

  В данной схеме емкости экранированных проводов (это электрический провод из одного или нескольких изолированных проводников, заключенных в общий проводящий слой)  , ,  практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что емкости   и  включены параллельно источнику сигнала   и операционному усилителю. Емкость же 

---

 включена параллельно входам операционного усилителя и напряжение на ней близко к нулю.

Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе  (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор) и необходимостью уменьшить шунтирующее действие (разделение движения тока на основой и параллельный) сопротивления изоляции. [5]

3. 1   2   3   4   5   6   7

---

Область применения

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. Поэтому их устройство может быть самым различным в зависимости от области применения. 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.

Рассмотрим несколько приборов, в которых используется емкостный преобразователь.

Емкостный уровнемер

На рис. 8 показано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Емкостный уровнемер представляет собой коаксиальный конденсатор.



Рисунок 8. Устройство емкостного преобразователя для измерения уровня

Его электроды 1 и 2 изолированы друг от друга. Емкость такого преобразователя C может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов; один из них 

---

 образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а другой  — остальной частью электродов и диэлектриком — воздухом:

,

где  — полная длина преобразователя, м; — длина преобразователя, заполненного жидкостью, м;  — электрическая постоянная воздуха, ф/м;  — диэлектрическая проницаемость жидкости; и  — радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, м.

Таким образом, по мере заполнения жидкостью преобразователя емкость его будет изменяться в зависимости от уровня.

Измерители силы и перемещений

При измерении механической силы или перемещения используется зависимость емкости от расстояния S между обкладками 1 и 2 преобразователя (рис. 9).

Зазор изменяется в зависимости от величины измеряемого усилия или перемещения.



Рисунок 9. Измеритель перемещения

Схемы с дифференциальный преобразователем (рис. 10) имеют большую чувствительность, точность. Обкладка 3 закреплена на пружинах и перемещается параллельно самой себе под воздействием измеряемой силы P. Обкладки 1 и 2 неподвижны. Емкость между обкладками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 3 уменьшается.



Рисунок 10. Дифференциальный измеритель силы P

Емкостные преобразователи для измерения малых перемещений (порядка

---

 м) отличаются высокой чувствительностью, линейностью, малыми погрешностями и одновременно простотой конструкции и легкостью подвижной части, что в ряде случаев делает их незаменимыми.

Измеритель влажности

Емкостные преобразователи используют для измерения влажности различных веществ: пряжи, волокна, кожи, зерна и т.д.

На рис. 11 представлено устройство преобразователя для измерения влажности волокна или пряжи.



Рисунок 11. Измеритель влажности вещества

Цилиндрический конденсатор заполняется исследуемой пряжей или волокном и включается в одно из плеч измерительного моста.

Так как вода имеет очень высокую относительную диэлектрическую проницаемость ( = 81) по сравнению с для остальных веществ ( = 1-6), то в зависимости от влажности испытуемого вещества диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и емкость преобразователя будут изменяться. Вещество с высокой диэлектрической проницаемостью поляризуется больше в ответ на приложенное электрическое поле, чем вещество с низкой диэлектрической проницаемостью, тем самым накапливая в материале больше энергии. [7]

4. Расчет емкостного преобразователя

Емкостной преобразователь перемещения изображен на рис. 12.



Рисунок 12. Схема емкостного преобразователя перемещения

При расчетах емкостных преобразователей с изменением воздушного зазора x между электродами электрода Э1 и Э2 можно воспользоваться следующими соотношениями.

1. Электрическая емкость преобразователя

---