каком минимальном отклонении чувствительного элемента система отработки
приходит в действие. Внешние факторы - напряжение питания, температура
окружающей среды и т. п. - влияют лишь на чувствительность системы; на
точность системы они могут влиять лишь в той мерь, в какой она связана с
чувствительностью.
Это значит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками, так же как
и любые мостовые нулевые схемы с линейными относительно частоты и
напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно меньшие
требования к стабильности источника питания.
[pic]
Рис. 7 Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком
В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик представляет собой
две последовательно включенные емкости, построенные конструктивно таким
образом, что при увеличении одной из них другая уменьшается. Эти две
емкости могут быть включены в мостовую схему (рис. 7), где два других плеча
- реостатные. Если при этом напряжение, снимаемое с диагонали моста,
использовать в качестве сигнала для следящей системы, перемещающей щетку
потенциометра R в сторону уменьшения рассогласования, то всегда в
установившемся состоянии следящей системы это напряжение [pic]u=0 в этом
случае справедливо соотношение
[pic] (4)
Отсюда следует, что в схемах с дифференциальными емкостными датчиками с
воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа (например,
положение стрелки Указателя) не зависят ни от состава газа, ни от наличия в
нем влаги (не выпадающей в виде капель), так как для обеих емкостей,
составляющих дифференциальный датчик, [pic] меняется одинаково. Для
недифференциальных же схем такое влияние может наблюдаться, хотя и в
небольших пределах, так как для воздуха с влажностью 0% [pic]=l.0006, а для
воздуха с влажностью 100% при t=+20°С [pic]=l.0008. В этих схемах эта
величина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время как
от некоторых систем с емкостными дифференциальными датчиками удалось
добиться более высокой точности.
В емкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет изменения
параметров конденсатора [pic]((, (s, ((. 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/j(C преобразователь будет работать в разных
режимах. Если R >> 1/(C или R(C >> 1, то U[pic]Ur и заряд конденсатора
q[pic]CU = const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного
заряда. В этом случае U[pic]=q/C=C[pic]U/(C[pic]+[pic]Csin[pic]t)[pic]U[l-
([pic]C/C[pic])sin[pic]t] и выходным параметром преобразователя является
переменная составляющая напряжения U[pic]. Этот режим реализуется, в
частности, на высоких частотах. Если R << 1/(C или R(C << 1, то падение
напряжения будет и U[pic][pic]U[pic]const, т. е. преобразователь работает в
режиме заданного напряжения. Для такого режима q=U(C[pic]+[pic]Csin(t);
I=dq/dt=U[pic]C(cos(t и выходной величиной является ток. Такой режим имеет
место на малых частотах.
При питании емкостных преобразователей переменным напряжением
U=U[pic]sin[pic]t между несущей частотой [pic] и наибольшей частотой (
измеряемого сигнала должно сохраняться определенное соотношение. Если
изменение емкости преобразователя, обусловленное измерительным сигналом,
меняется по закону C=C[pic]+[pic]Csin(t, то I=d(CU)/dt +UdC/dt или
I = [pic]C[pic]U[pic][cos[pic]t + [pic]C/ C[pic]) cos[pic]t sin[pic]t +
+ ([pic]/[pic]) ([pic]C/ C[pic]) sin[pic]t cos [pic]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 [pic]/[pic] << l.
Поскольку емкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ, то
необходимо учитывать сопротивление утечки изоляции R[pic], паразитную
емкость С[pic] 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 [pic]/2, а если имеются потери, то этот сдвиг
уменьшается на угол [pic], называемый углом потерь. Обычно вместо угла
рассматривается tg[pic], который для эквивалентной схемы на Рис.8,б равен
tg[pic]= 1/[pic]C[pic]R[pic].
Величина, обратная tg[pic], называется добротностью Q емкостного
преобразователя
Q=[pic]C[pic]R[pic] (6)
[pic]
Рис.8 Эквивалентные схемы преобразователя
Угол потерь (tg[pic]) 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.
[pic]
Рис. 9 Резонансные измерительные системы
[pic]
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 [pic] напряжением U[pic], снимаемым с генератора Г. При
изменении емкости C=C[pic]+[pic]C напряжение (Рис. 9, а) или ток (Рис. 9,
б) в цепи резонансного контура будут меняться, достигая максимума при
резонансе [pic]=l/[pic]. 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[pic]
преобразователя. При изменении емкости на [pic] напряжение на выходе будет
меняться на [pic].
Емкостным преобразователь может быть элементом в схеме триггера. На Рис. 10
приведена схема мультивибратора, на выходе которого генерируется
непрерывная последовательность импульсов.
[pic]
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 [pic], изоляции [pic] и
воздуха [pic].
[pic]
[pic] [pic]
Рис. 11 Схемы устройства емкостных преобразователей
Для измерения толщины х ленты 3 из диэлектрика с [pic] (см. Рис. 11, б) ее
протягивают между электродами 1 и 2, расстояние межу которыми [pic].
Емкость конденсатора будет C=s/[([pic]-x)/[pic]+x/[pic], где [pic]-
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:
потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части (ротора)
емкостного датчика;
малое потребление энергии;
простота изготовления;
использование дешевых материалов;
отсутствие контактов (в некоторых отдельных случаях - один токосъем с
помощью кольца и щетки);
высокая точность и стабильность работы смстем, с емкостными датчиками;
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
А. Бондер, А. В. Алферов - «Измерительные приборы»
В. А. Ацюковский - «Емкостные датчики перемещения»
Г. Виглеб - «Датчики. Устройство и применение»
Страницы: 1, 2
|