Измерительные цепи ёмкостных преобразователей

Ёмкости большинства преобразователей составляют 10… 100 пФ, поэтому даже при относительно высоких частотах напряжения питания (10⁵…10⁷ Гц) их выходные сопротивления велики и равны Х_с = 1 / (со х х С) = 10³…10⁷ Ом. Выходные мощности ёмкостных преобразователей малы, поэтому в измерительных цепях необходимо применение усилителей. Допустимые значения напряжения питания ёмкостных преобразователей достаточно велики, в силу чего напряжение питания, как правило, ограничивается не возможностями преобразователя, а условиями реализации измерительной цепи.

Основной трудностью построения измерительных цепей с ёмкостными преобразователями является защита их от наводок. Для этих целей как сами преобразователи, так и все соединительные линии тщательно экранируются. Однако экранированный провод имеет ёмкость С_жэ между жилой и экраном (С ~ 50 пФ/м), которая при неудачном выборе точки присоединения экрана может оказаться включённой параллельно ёмкости преобразователя. При этом падает чувствительность преобразователя, так как относительное изменение ёмкости уменьшается на величину % = (ДС₀ / С₀) — (ДС₀ / (С₀ + С^)), и появляется весьма существенная по значению погрешность, вызываемая нестабильностью ёмкости С_жэ, поскольку любые изменения этой ёмкости воспринимаются как изменение рабочей ёмкости ДС₀. Поэтому при построении измерительной цепи с ёмкостными преобразователями в первую очередь обращается внимание на включение так называемых паразитных ёмкостей.

Кроме этого, следует обращать внимание на линейность зависимости выходного параметра измерительной цепи от измеряемой величины, имея в виду, что ёмкостные преобразователи являются преобразователями высокоомными, а измеряемая величина может быть связана линейной зависимостью как с сопротивлением преобразователя (при изменении зазора 8), так и с его проводимостью (при изменении площади S или диэлектрической проницаемости е).

Для работы с ёмкостными преобразователями применяют измерительные цепи, в основу которых положены различные структуры делителя напряжения, измерительные мосты, ёмкостно-диодные цепи, резонансные контуры.

Очень часто в состав современных измерительных цепей включают также операционные усилители (ОУ).

На рисунке 5.4 показана схема цепи с ОУ, построенная на принципе делителя напряжения. В данном случае

Рис. 5.4. Схема с ОУ, построенная на принципе делителя напряжения.

С помощью такой схемы удобно преобразовывать в напряжение изменение зазора между обкладками конденсатора С₂а/вых=^-[С1−8₂/8о-ЗД или изменение площади конденсатора С_г(У_ВЪ1Х = [/_ -[s₀ -Sj /8₁ -С₂]). В обоих случаях зависимость выходного напряжения от измеряемой величины будет линейной.

В схеме рисунка 5.4 ёмкости экранированных проводов С_э1, С_э2, С_э3 практически не влияют на работу измерительного устройства. Это объясняется тем, что ёмкости С_э1 и С_э3 включены параллельно источнику сигнала 1/_ и ОУ, имеющим низкие выходные сопротивления. Ёмкость же С_э2 включена параллельно входам ОУ, напряжение на ней близко к нулю.

Дифференциальные ёмкостные преобразователи включаются преимущественно в мостовые измерительные цепи. На рисунке 5.5 даны примеры таких цепей, содержащих мосты с индуктивно-связанными плечами.

Выходной сигнал в цепи (рис. 5.5 а) подан на вход повторителя напряжения, выполненного на ОУ. Если принять, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равно Ц_, то выходное напряжение равно.

Ёмкости С_э1 и С_э2 экранированных проводов, соединяющих датчик с трансформатором, включены параллельно полуобмоткам трансформаторов и роли не играют. Для уменьшения влияния ёмкости экранированного провода, соединяющего датчик с усилителем, применяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой цели используется провод с двойным экраном. Наружный экран присоединяется к земле, а внутренний — к неинвертирующему входу повторителя напряжения. Ток с центрального проводника на внутренний экран отсутствует, так как равны между собой напряжения в точках, а и б относительно земли. Ток между внутренним и внешним экранами не сказывается на работе устройства, поскольку нагружает низкоомный выход повторителя напряжения.

Необходимость в двух экранах отпадает при подсоединении выхода моста к инвертирующему входу ОУ (рис. 5.5 б). Поскольку потенциал на этом входе усилителя весьма близок к нулю, то ток между проводом, присоединённым к этому входу, и окружающим его экраном будет практически равен нулю. Для цепи (рис. 5.5 б) верно соотношение? W=tUCi-c₂)/c₃.

На рисунке 5.5 в показана модификация мостовой цепи при ёмкостном токосъеме с подвижной пластины. Экраны и паразитные ёмкости на схеме рисунка 5.5 в и на последующих схемах не показаны с целью упрощения рисунков.

Обозначим ёмкости между неподвижными и подвижной пластинами индексом, соответствующим номеру неподвижной пластины. В плечо моста входят ёмкости С_: + С₅ и С₂ + С₆. Через ёмкость С₃ + С₄ подключена вершина измерительной диагонали моста к входу ОУ. В результате выходное напряжение U_BUX определится формулой

Рис. 5.5. Дифференциальные ёмкостные преобразователи с мостовыми измерительными цепями.

При перемещении пластины в направлении, указанном стрелкой, ёмкость С_г + С₅ увеличивается, ёмкость С₂ + С₆ уменьшается, а ёмкость токосъема С₃ + С₄ остаётся почти неизменной, т. к. ёмкость С₃ увеличивается, а ёмкость С₄ уменьшается.

В схеме, приведённой на рисунке 5.5 г, показано, как с помощью охранных электродов улучшить характеристики ёмкостных преобразователей. Здесь ёмкостные преобразователи образованы пластинами 1, 4 и 2, 6. Пластины же 3, 5, 7 служат охранными электродами. Поскольку пластины 4 и 6 присоединены к инвертирующему, входу ОУ, то напряжение на них близко к нулю. Поэтому электрическое поле между пластинами 1 и 3, 4, 5, а также между пластинами 2 и 5, 6, 7 будет практически однородным. Благодаря этому исключается влияние краевого эффекта на работу преобразователей (краевые искажения поля теперь будут наблюдаться между пластинами 1, 2 и 3, 5, 7).

Общим недостатком схем, приведённых на рисунке 5.4 и 5.5, является то, что они могут быть рекомендованы только для датчиков, у которых все пластины изолированы от корпуса, что иногда бывает трудно реализовать конструктивно.

При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком, например так, как показано на рисунке 5.6 а. Тогда провода, идущие к вершинам, а и б, могут быть без экранов, а ёмкость С_жэ провода, подходящего к вершине в, подключается параллельно источнику питания. В аналогичной цепи (рис. 5.6 б) использован недифференциальный усилитель, что стало возможным благодаря предварительному выпрямлению с разными знаками переменных напряжений, присутствующих на вершинах выходной диагонали моста.

Рис. 5.6. Измерительные схемы с заземлённым датчиком На рисунке 5.7 представлена ёмкостно-диодная измерительная цепь дифференциального датчика с заземлённой пластиной. Ёмкости датчика С_г и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырёх диодов и двух дополнительных конденсаторов С₃. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов (D_l5 D₄ или D₂, D₃). При этом каждый из конденсаторов С₃ соединяется последовательно то с ёмкостью С_г, то с ёмкостью С₂. При неравенстве ёмкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут неравны между собой.

Рис. 5.7. Ёмкостно-диодные измерительные цепи.

Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значения 1/_вых определится приближённым соотношением.

Нестабильность выходного напряжения определяется неидентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования ёмкостей датчика паразитными ёмкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных ёмкостей проводов, подходящих к точкам, а и б, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти ёмкости не влияют.

Возможный вариант цепи (рис. 5.7 а), предназначенный для телеизмерений, показан на рисунке 5.7 6. Здесь по одному коаксиальному кабелю передаётся переменное напряжение U_ от источника на датчик и постоянное напряжение U_Bblx — с датчика. Внутри датчика монтируются четыре диода, конденсатор С₃ и резистор R_v Показанные на схеме (рис. 5.6 б) значения параметров элементов рассчитаны на частоту питающего напряжения, примерно равную 1 МГц.

На рисунке 5.8 а приведена измерительная цепь с резонансными контурами. Цепь питается от источников со стабильной частотой со₀. При изменении ёмкости С преобразователя сопротивление контура изменяется по резонансной кривой (рис. 5.8 б), достигая максимума при 1 /ТГс = со₀. На склонах резонансной кривой может быть выбран участок, более или менее приближающийся к линейному.

Рис. 5.8. Измерительная цепь с резонансными контурами Пренебрегая сопротивлением R₂ по сравнению с сопротивлениями wL и Rj и полагая С = С₀ ± АС, к = со₀ /лД/(1С), Q = WqL / и р = yjL/C, напряжение на контуре можно выразить соотношением:

Зависимости U_K / и_пш представлены на рисунке 5.8 б.