В. А. Никитин с. В. Бойко

Емкостные преобразователи

Эти преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Электрическая емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле (16.6) /14/

_{С =} ₀    S
^ , (16.6)

где ^{ 0}

• 
  диэлектрическая постоянная;
  
• 
  относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;
  

S - активная площадь обкладок;

δ - расстояние между обкладками.
Отсюда следует, что в емкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть либо δ, либо S, либо .
На рисунке 16.6 схематически изображены различные типы емкостных преобразователей.
Преобразователь на рисунке 16.6а представляет собой конденсатор, одна пластина которого перемещается относительно другой так, что изменяется расстояние δ между пластинами. Функция преобразования C= f(δ) нелинейна, причем чувствительность возрастает с уменьшением δ. Минимальное значение δ определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). На рисунке 16.6б показан дифференциальный емкостный преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Дифференциальная конструкция позволяет уменьшить погрешность нелинейности или увеличить рабочий диапазон перемещений.

Рисунок 16.6 - Емкостные преобразователи

Преобразователь на рисунке 16.6в также имеет дифференциальную конструкцию, но в нем происходит изменение активной площади пластин. В таком преобразователе можно получить необходимую функцию преобразования путем профилирования пластин.

На рисунке 16.6г изображен емкостный преобразователь для измерения уровня жидкости. Емкость между электродами зависит от уровня жидкости, так как диэлектрическая проницаемость контролируемой жидкости отличается от диэлектрической проницаемости воздуха.
Емкостные преобразователи обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что позволяет увеличить мощность выходного сигнала и снизить шунтирующее действие сопротивления изоляции.
Емкостные преобразователи просты по конструкции, имеют высокую чувствительность и относительно малую инерционность. К их недостаткам следует отнести влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности.
Кондуктометрические преобразователи основаны на использовании зависимости сопротивления электрохимического преобразователя от состава и концентрации электролита. Такие преобразователи используются главным образом для измерения удельной электропроводности электролитов, по которой судят о концентрации. При этом необходимо учитывать, что электропроводность электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, что требует обязательного введения соответствующей температурной поправки.

Рисунок 16.7 - Контактный кондуктометрический преобразователь Кондуктометрические преобразователи для измерения концентрации

растворов делятся на контактные и бесконтактные. Простейший контактный кондуктометрический преобразователь (рисунок 16.7 а) содержит два электрода, погруженных в исследуемый электролит. Сопротивление между электродами зависит от концентрации (проводимости) раствора. Электроды могут быть плоскопараллельными, цилиндрическими или точечными и изготовляются из платины, графита, нержавеющей стали или других материалов, химически стойких к исследуемым растворам.
При прохождении через преобразователь постоянного тока происходит электролиз раствора, что приводит к значительным погрешностям измерений. Поэтому измерение сопротивления между электродами обычно проводят на переменном токе.
Для уменьшения погрешности от поляризации и загрязнения электродов иногда используют четырехэлектродные преобразователи (рисунок 16.7 б). Пара электродов 1-1 (токовые электроды) подключается к внешнему источнику тока. При этом в растворе протекает стабильный ток, а между электродами 2-2 (потенциальными электродами) создается разность потенциалов, пропорциональная удельному сопротивлению раствора. Потенциальные электроды подключаются к усилителю напряжения с достаточно высоким входным сопротивлением. Обычно такой преобразователь также работает на переменном токе.
Бесконтактные кондуктометрические преобразователи не имеют контакта металлических электродов с электролитом, что исключает эффект поляризации, загрязнение электродов и другие отрицательные явления, возникающие при взаимодействии электродов и раствора.
Бесконтактные преобразователи делятся на низкочастотные (f <50 кГц) и высокочастотные. На рисунок 16.8а иллюстрируется принцип действия низкочастотного трансформаторного преобразователя. Исследуемый раствор образует замкнутую вторичную обмотку трансформатора, сопротивление которой определяется концентрацией раствора. Изменение концентрации вызывает изменение, сопротивления потерь, вносимого в первичную обмотку w\ трансформатора. Измерение эквивалентных параметров первичной обмотки позволяет определить концентрацию раствора.
Преобразователь на рисунок 16.8б содержит два трансформатора, причем замкнутый виток исследуемого раствора является вторичной обмоткой первого трансформатора и первичной обмоткой второго. Первичная обмотка w\ питается от источника переменного напряжения. При этом ток в витке электролита пропорционален его проводимости; соответственно проводимости электролита оказывается пропорциональна и ЭДС U_вых на обмотке ₂ .
Описанные бесконтактные преобразователи характеризуются более высокой стабильностью характеристик и меньшей погрешностью, чем контактные.
Высокочастотные бесконтактные преобразователи делятся на емкостные, которые применяются для измерения концентраций растворов с малой электропроводностью (10^-6-1См/м), и индуктивные - для растворов с электропроводностью 10^-2-10² См/м.