Реферат: Конструирование и применение датчиков

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 приувеличении одной из них другая уменьшается. Эти две емкости могутбыть 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 u=0вэтом случае справедливо соотношение

(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, меняется одинаково.

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/WCили RWC >>1, то UUr и заряд конденсатора qCU = const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного заряда. В этом случае Uс=q/C=C0U/(C0+DCsinWt)U[l-(DC/C0)sinWt] и выходным параметром преобразователя является переменная составляющая напряжения Uс. Этот режим реализуется, в частности, на высоких частотах. Если R <<1/WCили RWC <<1, то падение напряжения будет и Uс=U=const, т. е. преобразователь работает в режиме заданного напряжения. Для такого режима q=U(C0+DCsinWt);I=dq/dt=UDCWcosWt и выходной величиной является ток. Такой режим имеет место на малых частотах.

При питании емкостных преобразователей переменным напряжением U=Umsinw t между несущей частотой w и наибольшей частотой Wизмеряемого сигнала должно сохраняться определенное соотношение. Если изменение емкости преобразователя, обусловленное измерительным сигналом, меняется по закону C= C0+DCsinWt, то I=d(CU)/dt +UdC/dt или

I=w CU[cosw t+DC/C)cosw tsint+......+(/)(DC/C)sinw tcost].............(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 /w << l.

Поскольку емкости преобразователей малы и редко превышают 50-100 пФ, то необходимо учитывать сопротивление утечки изоляции Rуг, паразитную емкость Сп 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 свойственныпотери. При идеальныхдиэлектриках сдвиг фазмежду током и напряжением равен П /2, а если имеются потери, то этот сдвиг уменьшается на угол d, называемый угломпотерь. Обычно вместо угла рассматривается tgd, который для эквивалентной схемы на Рис.8,б равен tgd= 1/wCR.

Величина, обратная tgd, называется добротностью Q емкостного преобразователя

Q=CR (6)

Рис.8 Эквивалентные схемы преобразователя

Угол потерь (tgd) 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

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 Cпреобразователя. 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

Припроектировании 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

Конструктивныесхемы 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 .