Принцип действия, конструкции, характеристики ЕИП

Емкостные ИП (ЕИП)

Принцип действия, конструкции, характеристики ЕИП

Емкостные ИП относятся к группе электростатических преобразователей, у которых входная измеряемая величина связана с изменением емкости системы или с величиной электрического заряда.

Действие емкостных преобразователей основано на преобразовании входной величины в изменение емкости конденсатора, которая является функцией расстояния h между электродами, площади электродов Q и диэлектрической проницаемости e диэлектрика между электродами C = F(h, Q, e). Емкостные ИП могут быть использованы для измерения любых физических величин, которые функционально связаны с h, Q и e (перемещений, силы, геометрических размеров - толщины, уровня и др.).

Самое большое применение получили преобразователи перемещения.

ЕИП в общем случае состоит из диэлектрика, электродов, между которыми располагается диэлектрический материал, выводов и различных конструктивных элементов. Диэлектрик может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. Электроды могут выполняться в виде плоскопараллельных пластин, коаксиальных цилиндров и других конструкций и форм. Конструктивные элементы - различные электроизоляционные материалы и элементы защиты конденсатора от внешних факторов.

Наиболее часто используются две конструкции емкостных ИП. Первая представляет собой конденсатор с плоскими параллельными пластинами (7.1 а, рис. 7.1 б), емкость которого, если пренебречь краевыми эффектами

С = e₀e Q/ h. (7.1)

Вторая - цилиндрический конденсатор (рис. 7.1 г), емкость которого находится как

С = 2 pe₀eх/ln(D/d). (7.2)

В основу принципа действия могут быть положены:

1) изменение расстояния между обкладками;

2) изменение площади перекрытия обкладок;

3) изменение e диэлектрика или части его.

Уравнение преобразования ЕИП перемещения, основанного на изменении расстояния между электродами, имеет нелинейную (гиперболическую) функцию преобразования (рис. 7.1а)

С (х) = e₀e Q/ (h₀ + х). (7.3)

Преобразователь с изменяющейся площадью пластин может быть выполнен в виде плоского конденсатора (рис. 7.1 б), уравнение преобразования которого С (х) = bxe₀e/h. Реально линейная зависимость искажается из-за краевого эффекта.

Обычно этот тип преобразователя реализуется или в виде конденсатора с цилиндрическими электродами (рис. 7.1 в), или в виде поворотного конденсатора (рис. 7.1 г) для измерения угловых перемещений.

Уравнение преобразования ЕИП линейных перемещений цилиндрического типа приведено выше (см. 7.2).

Функция преобразования ЕИП угловых перемещений (рис. 7.1 г) имеет линейную зависимость от a:

С (a) = С₀ + ke₀a/h, (7.4)

где k - коэффициент, определяемый размерами электродов.

На рис. 7.1 д представлен вид характеристики преобразования ЕИП с переменной площадью перекрытия пластин.

ЕИП с изменением положения диэлектрика (рис. 7.1 е) имеет функцию преобразования

С(х) = С₀ [1 + (e_r - 1) х/a], (7.5)

где С₀ = С(0) = +e₀ ab/h.

Этот преобразователь имеет линейную функцию преобразования. Чаще всего он выполняется с цилиндрическими электродами и используется для измерения уровня неэлектропроводной жидкости в резервуаре [14].

Емкостные ИП могут выполняться по дифференциальной схеме. Примеры выполнения дифференциальных ЕИП показаны на рис. 7.1 ж, з.