Конструктивные принципы построения емкостных датчиков параметров среды

Емкостные датчики широко применяются для измерения различных параметров окружающей среды. Одним из самых важных параметров такого рода является давление жидкости или газа. Пример конструкции высокочувствительного емкостного датчика для измерения давления показан на рис. 4.13.

В изображенном на рис. 4.13 датчике корпус 6 выполнен вместе с гибкой пластиной (мембраной) 5, которая через изолирующую прокладку, показанную жирной черной линией, соединена с подвижной пластиной 2. К корпусу на винтах крепится неподвижная пластина /, которая изолируется от осталь;

Рис. 4.13. Схема высокочувствительного емкостного датчика давления ной массы с помощью изолирующей пленки (на рисунке эта изолирующая пленка показана жирной черной линией). Измеряемое давление поступает через канал 4 в пробке 3 в надмембранную камеру. Требуемая величина зазора между сопрягающимися плоскостями корпуса 6 и фланца 8 обеспечивается прокладкой 7, которая имеет толщину 15…20 мкм. Диаметр пластин 1 и 2 составляет около 10 мм. Изменение зазора при номинальном диапазоне изменения давлений составляет порядка 8 мкм.

Область применения подобных емкостных преобразователей весьма широка. Чаще всего они используются для измерения перемещений и давлений.

При этом порог чувствительности составляет КГ¹⁴ м, а зазор между пластинами может быть сделан равным 5…10 мкм. Емкостные преобразователи работают при полном отсутствии шумов и самонагрева, а наиболее высокочувствительные из них используются для научных исследований.

Емкостные датчики используются также для измерения влажности. В этом случае датчик представляет собой конденсатор, состоящий из диэлектрической пленки, на обе стороны которой путем напыления наносятся электроды из золота. Емкость такого датчика оказывается примерно пропорциональной влажности окружающей среды, а его постоянная времени составляет около 2 мин.

Рис. 4.14. Схема емкостного датчика влажности.

Схема одного из промышленных образцов емкостного датчика влажности приведена на рис. 4.14. В соответствии с этой схемой на диэлектрическую пленку 4 методом напыления с двух сторон наносится тонкое золотое покрытие 3 и 5. К этим пленочным покрытиям припаиваются выводы 7 и 2, которыми датчик подключается к измерительной схеме.

Конструкция такого датчика приведена на рис. 4.15. На этом рисунке цифрами обозначены максимальные и минимальные размеры датчика.

Рис. 4.15. Конструкия емкостного датчика влажности.

Рис. 4.16. Схема емкостного преобразователя для определения толщины диэлектрической ленты.

В качестве еще одного примера емкостного датчика параметров можно привести датчик толщины диэлектрической ленты. Схема такого датчика приведена на рис. 4.16.

Измеряемая лента 3 протягивается с помощью роликов 1 и 4 между обкладками 2 конденсатора. Емкость этого конденсатора в данном случае определяется по формуле.

где 8 — зазор между обкладками конденсатора; е₀ — диэлектрическая проницаемость воздуха; S — площадь обкладок; б_л — толщина ленты; ?_л — диэлектрическая проницаемость материала ленты.

Еще одним примером использования эффекта изменения емкости для измерения параметров среды могут служить так называемые радиационные пирометры.

Пирометром называют прибор для бесконтактного измерения особо высоких температур. Довольно часто применяются так называемые яркостные пирометры, т. е. пирометры, основанные на изменении спектральной интенсивности излучения тела, степень нагрева которого измеряется. Как правило, такой пирометр реагирует только на излучение с определенной длиной волны, например в красной области спектра на излучение с длиной волны X = 0,65 мкм. Яркостный пирометр показывает не действительную температуру нагретого тела, а его яркостную температуру, т. е. температуру, которую имело бы абсолютно черное тело при той же спектральной интенсивности излучения. Поэтому при реальных измерениях наибольшую трудность представляет определение так называемого коэффициента черноты исследуемого тела, который зависит от многих факторов: от состояния поверхности тела, от наличия на ней пленок и окислов и т. д.

Указанных недостатков лишены радиационные пироэлектрические преобразователи, основанные на смещении зарядов в некоторых кристаллах (например, в танталате лития) при их нагреве. Это показано на рис. 4.17.

При воздействии инфракрасного излучения 1 на такой преобразователь его кристалл 2 нагревается и с обкладок 3 этого кристалла снимается измерительный сигнал 4, как показано на рис. 4.17, а. Такой датчик сам по себе служит источником ЭДС, т. е. он является генераторным и может быть представлен как соединение емкостного датчика с генератором (см. рис. 4.17, б). В зависимости от подключения такого датчика используется либо ток через него, либо напряжение на нем, что показано на рис. 4.17, в.

Рис. 4.17 Схема емкостного пирометрического преобразователя.

Такие преобразователи широко используются в пожарных извещателях, системах контроля окружающей среды, реле близости в системах защиты работающего оборудования, для измерения импульсной мощности лазеров, а также в термографии для съемок предметов без освещения. При этом различается разница температур до 0,1 °С.