Емкостные и импедансные сенсоры

Не менее широко для создания сенсоров используют изменения электроем­кости чувствительных элементов под влиянием факторов, которые надо контроли­ровать. На рис. 8.7 в качестве примера в продольном сечении показан цилиндриче­ский конденсатор, в котором внутренний цилиндрический электрод 1 может дви­гаться вдоль оси цилиндра относительно внешнего цилиндрического электрода 2.

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора, как известно, опи­сывается формулой

С = 2яео//1п(г/К), (8.3)

где Јq — электрическая постоянная; rnR — радиусы внутренней и внешней обкла­док конденсатора; / — длина зоны взаимодействия цилиндров. Поэтому в доста­точно широком диапазоне емкость пропорциональна длине /, т. е. является ли­нейной функцией перемещения сердцевины. Такие конденсаторы успешно ис-

Рис.8.7. Цилиндрический конденсатор с подвижной сердцевиной как сенсор линейного перемещения

пользуют для точного преобразования в электрический сигнал взаимного поло­жения и перемещения тел.

Электрическая емкость плоского конденсатора описывается, как известно, формулой

C = e^S/d, (8.4)

где S — площадь его пластин; d — расстояние между ними; г — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами. Изменение любой из этих величин приводит к изменению емкости и таким образом может быть зафиксировано. На­пример, в классических конденсаторах переменной емкости одна группа метал­лических пластин при повороте вокруг оси сдвигается относительно другой. При этом изменяется площадь их взаимодействия S и, соответственно, электрическая емкость. Такой конденсатор можно использовать, например, как чувствительный элемент в сенсоре угла поворота.

Расстояние d между пластинами конденсатора обычно невелико (миллиме­тры или доли мм). Поэтому даже совсем небольшие изменения этого расстояния приводят к заметному изменению электрической емкости. На этом принципе ра­ботают емкостные сенсоры миллиметровых, микронных и даже субмикронных перемещений, которые, как уже отмечалось в предыдущих лекциях, можно при­менить для выявления и измерения вибраций, дифференциального или абсолют­ного давления и т. п.

На рис. 8.8 показан емкостный интеллектуальный сенсор серии 3051ТА фирмы Rosemount, предназначенный для измерения абсолютного давления жид­костей, газов и паров в диапазоне от 2 кПа до 70 МПа.

Миниатюрный емкостный чувствительный элемент расположен в ножке корпуса. Здесь он хорошо защищен от посторонних механических и тепловых воздействий как со стороны контролируемой, так и со стороны внешней среды. Измеренные значения сохраняются в энергонезависимой EEPROM-памяти. Имеется выход на жидкокристаллический дисплей, который может быть подклю­чен по желанию пользователя. На нем будут высвечиваться значения давления в любых указанных пользователем единицах. Данные от чувствительного элемента корректируются и линеаризируются в электронном блоке. Обеспечивается точ­ность измерений до 0,075 %. Измерения автоматически повторяются, и данные обновляются до 20 раз в секунду. Сенсор нормально работает при температурах контролируемой среды от -40 °С до +121 °С и при относительной влажности от 0%до 100%.

Рис. 8.8. Емкостный интеллектуальный сенсор серии 3051 ТА фирмы Rosemount для измерения абсолютного давления жидкостей, газов и пара

На рис. 8.9 объясняется принцип действия простого емкостного сенсора уровня жидкости в закрытом резервуаре. Чувствительный элемент сенсора рас­сматривается здесь как два параллельно соединенных конденсатора, в одном из которых пространство между пластинами заполнено жидкостью, а в другом — воздухом. Согласно формуле (8.4) при заполнении жидкостью с диэлектрической проницаемостью е емкость конденсатора возрастает. Поэтому суммарная емкость чувствительного элемента — конденсатора — линейно возрастает с повышением уровня жидкости.

Фактором, усложняющим ситуацию, является то, что диэлектрическая про­ницаемость жидкости может заметно зависеть от температуры. Например, при повышении температуры воды от 20 °С до 30 °С значение г уменьшается пример-

Рис. 8.9. Принцип измерения уровня жидкости в закрытом резервуаре с помощью емкостного сенсора

Поиск по сайту: