3.3.3. Емкостные датчики

Основу этих датчиков составляют емкостные преобразователи, которые преобразуют неэлектриче­ские величины (перемещение, уровень жидкости, влажность, уси­лие и т. д.) в изменение электрической емкости. Емкостной преоб­разователь является частью регулирующего или измерительного устройства с чувствительным элементом, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение измеряемого пара­метра технологического процесса. Чувствительный элемент ем­костного преобразователя представляет собой плоский или ци­линдрический конденсатор, у которого при воздействии изме­ряемого параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пластин или диэлектрическая проницаемость среды ме­жду обкладками. Емкость конденсатора C возрастает с увеличе­нием активной площади F и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ =81; для воздуха ξ = 1; для формовочной смеси ξ = 1 ... 4) и уменьшается с увеличением расстояния между пластинами X, т. е. C = ξ₀·ξ·F/X, где ξ₀ — диэлектрическая про­ницаемость вакуума, ф/м. Учитывая влияние перечисленных фак­торов на размеры чувствительного элемента, различают три типа емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пластинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой ди­электрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры емкостных преобразователей являются входными величинами, а выходной величиной будет емкость конденсатора.

Емкостные преобразователи с переменным расстоянием между пластинами (рис. 3.9, а) как правило конструктивно выполняют в виде плоского конденсатора, состоящего из двух или более пластин, одна из которых закреплена, а другая механически свя­зана с подвижной частью системы измерения. Емкостные преоб­разователи этого типа применяют для измерения толщины изде­лий, а также используют для измерения давления, усилия или вибрации.

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью пластин выполняют как цилиндрическими (рис. 3.9, б), так и плоскими (рис. 3.9, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 3.9, б) пред­ставляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемеще­ния δ внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа пред­назначаются для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 3.9, в) емкость зависит от изме­нения активной площади пластин при повороте одной пластины относительно другой. Такие преобразователи используют при измерении угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды между пластинами могут применяться, например, для регули­рования влажности формовочной смеси и дозирования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости изменяется емкость конденсатора (рис. 3.9, г), электродами которого служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобра­зователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического конденсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобразователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров электродов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и мас­сой. Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала, поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной частоте электрического тока практически невоз­можно получить достаточную мощность, в этой связи они полу­чают питание от источника высокой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитические емкости и посторон­ние электрические поля, поэтому требуется тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных проводов.