ЄМНІСНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
План
Принцип дії та використання
Вимірювальні кола ємнісних перетворювачів
Ємнісні перетворювачі механічних величин
Ємнісні перетворювачі тиску
Ємнісні перетворювачі рівнемірів
1. Принцип дії та використання
Ємнісні перетворювачі є електричними конденсаторами, ємність яких змінюється внаслідок зміни під дією вимірюваної величини відстані між обкладками, площі перекриття обкладок або діелектричної проникності середовища, що знаходиться між обкладками. Вони широко застосовуються як перетворювачі переміщень та рівнів, а в поєднанні з механічними перетворювачами сил, прискорень та вібрацій в механічне переміщення вони є складовими елементами ємнісних манометрів, динамометрів, віброметрів та акселерометрів.
Проектуючи ат експлуатуючи ємнісні перетворювачі, треба враховувати дію паразитних ємностей Спар , що створюється як конструктивними елементами, так і з’єднувальними провідниками, котрі шунтують ємність С0 перетворювача і можуть викликати значне зменшення його чутливості. Тому при експлуатації ємнісних перетворювачів необхідно вживати заходи до зменшення зовнішніх паразитних ємностей, зокрема, скорочуючи довжину з’єднувальних дротів та використовуючи відповідні схемні рішення.
2. Вимірювальні кола ємнісних перетворювачів
Основними труднощами, що виникають при вимірюваннях із застосуванням ємнісних перетворювачів, є труднощі, зв'язані з усуненням впливу лінії зв'язку на результат вимірювань, особливо, коли перетворювач знаходиться на значній відстані від вимірювальних приладів. Внаслідок значної довжини в лінії можуть наводитись значні активні завади. Тому завади фільтрують, зокрема, розділенням спектра частот інформативного параметра та завади. А оскільки в умовах промислового виробництва завади здебільшого є низькочастотними (промислової частоти), перетворюють та передають інформативні параметри на порівняно високих частотах.
Іншим джерелом похибки, зв'язаним з лінією зв'язку, є розподілені ємнісні опори витоку між лініями, які шунтують вихідний інформативний параметр перетворювача. Якщо врахувати, що вихідні ємності ємнісних перетворювачів становлять десятки пікофарад, то при погонній ємності між дротами лінії зв'язку, яка може досягати одиниць і навіть десятки пікофарад на метр, її шунтувальна дія може бути настільки великою, що вимірювання стають неінформативними. Для усунення впливу паразитних ємностей застосовують екранування ліній та відповідні схемні рішення, за яких шунтувальна дія паразитних ємностей була би усунена або значно зменшена.
Крім цього, треба звернути увагу на характер залежності вихідного сигналу від значення вимірюваної величини, бо вихідний сигнал може бути зв'язаний лінійною залежністю або зі зміною ємності, або зі зміною ємнісного опору.
В основу вимірювальних кіл ємнісних перетворювачів покладені звичайно такі структури: подільники напруги, вимірювальні мости, ємнісно - діодні кола, резонансні контури.
На рис.1,а показана схема вимірювального кола ємнісного перетворювача, побудованого за принципом подільника напруги. У даному випадку . Такі вимірювальні кола можуть бути застосовані в перетворювачах лінійних переміщень, що викликають зміну зазору між обкладками конденсатора С2 . Тоді

тобто вихідна напруга буде лінійною функцією ?2.
Якщо інформативними параметрами будуть зміна активної площі чи діелектричної проникності між обкладками перетворювача, то вихідна напруга буде лінійною функцією відповідних параметрів конденсатора С2 . Дійсно, тоді


Рис. 1 - Вимірювальні кола диференціальних ємнісних перетворювачів
Диференціальні ємнісні перетворювачі вмикають звичайно в мостові вимірювальні кола, наприклад, як на рис.1,б. Для усунення похибок від впливу ліній зв’язку елементи вимірювального кола з’єднують екранованими дротами, а сам екран заземляється. Вплив паразитних ємностей тут незначний, бо ємності С1 та С2 шунтують порівняно невеликі опори R1 та R2, аємність С3 –індикаторну діагональ.
На рис. 1,в наведена схема трансформаторного моста. Вихідний сигнал мостового кола подається на вхід повторювача напруги, вмконаного на операційному підсилювачі. Якщо напруга на кожній половині вторинної обмотки трансформатора становить U, то значення вихідної напруги дорівнюватиме

Ємності та екранованих дротів, що з'єднують перетворювач із трансформатором, увімкнені паралельно до обмоток трансформатора і на результат вимірювань не впливають. Для зменшення впливу ємності екранованого дроту, що з'єднує перетворювач з підсилювачем, застосовується схема еквіпотенціального захисту. Для цієї мети використовують дріт з подвійним екраном. Зовнішній екран приєднується до землі, а внутрішній - до входу повторювача напруги. Струму витоку з центрального дроту на внутрішній екран не буде, оскільки практично відсутня різниця напруг між точками а і б.
Схема трансформаторного моста рис.1, г використовується, коли ємність Сх менша від паразитних ємностей С1 та С2. Останні шунтують відносно малі опори плеч моста і їх вплив на результати вимірювань буде незначним.
Ємнісні перетворювачі механічних величин
3.1 Ємнісні перетворювачі тиску. Чутливими елементами ємнісних перетворювачів тиску є мембрани та діафрагми, які перетворюють вимірюваний тиск у переміщення. Вони є одночасно рухомими електродами ємнісних перетворювачів.
На рис. 2 наведена конструкція ємнісного перетворювача тиску з чутливим елементом у вигляді еластичної мембрани 1, котра закріплена в корпусі 2 за допомогою муфти 3. Нерухомий електрод 4 з'єднаний з центральною частиною колодки коаксіального з'єднувача 5.
Конструюючи ємнісні перетворювачі, особливу увагу треба приділяти вибору матеріалів.
Рис.2 – Ємнісний перетворювач тиску
Для забезпечення мінімальної температурної похибки деталі ємнісного чутливого елемента виготовляють з матеріалів з незначними та можливо близькими за значеннями температурними коефіцієнтами лінійного розширення. Наприклад, для пружних елементів застосовують сплав 55БТЮ, що відрізняється високими пружними властивостями, стабільністю температурного коефіцієнта модуля пружності, корозійною стійкістю. Як матеріал для ізоляційних елементів використовують оптичне скло марки ЛК6.
Дуже суттєвим є електростатичне екранування всіх виводів ємнісного перетворювача. Після нього не повинно залишатися неекранованих проміжків. З цієї причини частину кабелю виготовляють як невід'ємну частину перетворювача.
На рис. 3 наведена конструкція диференціального ємнісного перетворювача тиску, в якому пружний елемент 1 (у даній конструкції - це мембрана, виготовлена разом з корпусом) не є безпосередньо електродом. Рухомим електродом тут є пластина 2, з'єднана за допомогою шпильки з центром штивної мембрани. Нерухомими електродами є пластини 3 та 4, виготовлені у вигляді металевих дисків і закріплені в скляних циліндричних стійках 5, з'єднаних з корпусом.
Рис 3 - Ємнісний диференціальний
перетворювач тиску
Така конструкція ємнісного перетворювача дає змогу збільшити за інших однакових умов його чутливість.
Ємнісні перетворювачі мають звичайно верхню межу перетворюваного тиску 200...800 Па при чутливості 0,5..1,0 пФ/Па та початковій ємності 10...20 пФ. Основна їх похибка становить 1..2%.
4.2 Ємнісні перетворювачі рівнемірів. Існує багато конструктивних різновидів ємнісних рівнемірів, основні відмінності яких визначаються ступенем електропровідності досліджуваної речовини. У рівнемірах для електропровідних рідин один з електродів покривають ізоляційним матеріалом, для неелектропровідних електроди не ізолюються. (Нагадаємо, що електропровідними вважають рідини з питомим електричним опором р<106Ом м та діелектричною проникністю ?<7.)
Як у рівнемірах для електропровідних, так і для неелектропровідних рідин електроди перетворювачів можуть бути виконані у вигляді стержнів, плоских пластин чи циліндрів. Другим електродом може бути металева стінка посудини з досліджуваною речовиною.
Найпростішою та найпоширенішою є конструкція коаксіального перетворювача (рис.4,а). Перетворювач складається з внутрішнього 1 та зовнішнього 2 циліндричних електродів, взаємне розміщення яких зафіксоване прохідними ізоляторами 3. Він міститься в резервуарі 4 з досліджуваною рідиною.
Якщо резервуар рідиною не заповнений, то ємність між електродами перетворювача

де l - повна довжина електродів; R1 та d1 - радіус внутрішнього електрода та відстань між електродами; С0 - ємність, зумовлена прохідними ізоляторами та з'єднувальними дротами від електродів до вторинної вимірювальної апаратури.
Після заповнення резервуара до рівня Н ємність зміниться до значення

Наведений вираз є спрощеною функцією перетворення ємнісного перетворювача не електропровідної рідини. Еквівалентна ємність такого перетворювача є сумою трьох з'єднаних паралельно ємностей. Якщо діелектричну проникність досліджуваного середовища можна вважати сталою, інформативною є лише третя складова еквівалентної ємності. Оскільки перші дві складові с ненормативними, то для збільшення чутливості ємнісного перетворювача повинна бути передбачена їх схемна компенсація.
Необхідно також відзначити, що в реальних умовах діелектрична проникність єх може змінюватись, наприклад, внаслідок зміни температури досліджуваної рідини, її хімічного складу тощо. Для зменшення впливу на результат вимірювання зміни х конструкцію ускладнюють додатковим компенсаційним конденсатором, розміщеним в нижній частині основного перетворювального елемента, зображеного на рис.4,б. Тут 1 та 2 електроди робочого перетворювача, ємність якого залежить як від рівня досліджуваної рідини, так і від її діелектричної проникності, 3 додатковий (компенсаційний) конденсатор, котрий постійно знаходиться в досліджуваній рідині, а його ємність залежить лише від х.
Під час ввімкнення у вимірювальне коло ємність компенсаційного конденсатора може використовуватись для корекції вихідного сигналу рівнеміра при зміні х.
Оскільки простір над досліджуваною рідиною завжди буде забруднений парами досліджуваної речовини, а його діелектрична проникність буде відрізнятись від є повітря, то для зменшення впливу зміни діелектричної проникності повітря в ємнісних перетворювачах застосовують другий компенсаційний конденсатор 4, розміщений над робочим конденсатором.

Рис. 4 –Ємнісні перетворювачі рівня рідин
В ємнісних перетворювачах рівня електропровідних рідин один із електродів виконується у вигляді ізольованого стержня, іншим можуть служити металеві стінки резервуара, а для неметалевих резервуарів - неізольований циліндр, що охоплює металевий ізольований стержень.
На рис. 5 показаний ємнісний перетворювач рівня рідини, виконаний у вигляді стержня 1, покритого шаром ізоляції 2 і поміщеного в металевий резервуар 3.

Рис.5 – Ємнісний перетворювач рівня електропровідних рідин
Ємнісні рівнеміри характеризуються порівняно низькою вартістю, простотою, зручністю монтажу в резервуарі, їх перевагою є можливість їх використання в широкому діапазоні температур. До недоліків належить непридатність для вимірювань рівнів в'язких рідин, рідин, що кристалізуються, випадають в осад, їх недоліком є також висока чутливість до зміни електричних властивостей досліджуваної рідини, зміни ємності між дротами лінії, що з'єднує перетворювач з вторинною апаратурою. Зведена похибка звичайних ємнісних рівнемірів становить 2...5%.
Література
Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: Видавництво Державного університету „Львівська політехніка”,2000. – 360с.(с 115-117)