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Kapazitiver Wandler

Definition: Der kapazitive Wandler wird zum Messen verwendetdie Verdrängung, der Druck und andere physikalische Größen. Es handelt sich um einen passiven Wandler, der für den Betrieb externe Energie benötigt. Der kapazitive Wandler arbeitet nach dem Prinzip der variablen Kapazitäten. Die Kapazität des kapazitiven Wandlers ändert sich aus vielen Gründen wie Überlappung der Platten, Abstandsänderung zwischen den Platten und Dielektrizitätskonstante.

Der kapazitive Wandler enthält zwei paralleleMetallplatten. Diese Platten sind durch das dielektrische Medium getrennt, das entweder Luft, Material, Gas oder Flüssigkeit ist. Im normalen Kondensator ist der Abstand zwischen den Platten fest, im kapazitiven Wandler jedoch der Abstand zwischen ihnen.

Der kapazitive Wandler verwendet die elektrischeKapazitätsgröße zum Umwandeln der mechanischen Bewegung in ein elektrisches Signal. Die Eingangsgröße bewirkt die Änderung der Kapazität, die direkt vom kapazitiven Wandler gemessen wird.

Die Kondensatoren messen sowohl statisch als auchdynamische Änderungen. Die Verschiebung wird auch direkt gemessen, indem die messbaren Geräte mit der beweglichen Platte des Kondensators verbunden werden. Es funktioniert sowohl mit dem kontaktierenden als auch mit dem kontaktlosen Modus.

Funktionsprinzip

Die nachstehenden Gleichungen drücken die Kapazität zwischen den Platten eines Kondensators aus

Capactive-Gleichung-1

Wo A - überlappende Plattenfläche in m2
d - der Abstand zwischen zwei Platten in Metern
ε - Permittivität des Mediums in F / m
εr - relative Dielektrizitätskonstante
ε0 - die Permittivität des freien Raumes

Das Prinzipschaltbild eines kapazitiven Parallelplattenwandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

kapazitiver Wandler

Die Kapazitätsänderung erfolgt aufgrund derphysikalische Größen wie Verschiebung, Kraft, Druck usw. Die Kapazität des Wandlers ändert sich auch durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante, die normalerweise auf die Messung des Flüssigkeits- oder Gaspegels zurückzuführen ist.

Die Kapazität des Wandlers wird mit der Brückenschaltung gemessen. Die Ausgangsimpedanz des Wandlers wird als angegeben

kapazitiver Wandler-2

Wo, C - Kapazität
f - Anregungsfrequenz in Hz.

Der kapazitive Wandler wird hauptsächlich zur Messung der linearen Verschiebung verwendet. Der kapazitive Wandler verwendet die folgenden drei Effekte.

  1. Die Kapazitätsänderung des Wandlers ist auf die Überlappung der Kondensatorplatten zurückzuführen.
  2. Die Kapazitätsänderung ist auf die Änderung der Abstände zwischen den Platten zurückzuführen.
  3. Die Kapazität ändert sich aufgrund der Dielektrizitätskonstante.

Die folgenden Methoden werden für die Messverschiebung verwendet.

1. Ein Wandler, der die Änderung im Plattenbereich verwendet - Die folgende Gleichung zeigt, dass die Kapazität direkt proportional zur Fläche der Platten ist. Die Kapazität ändert sich entsprechend mit der Änderung der Position der Platten.

kapazitiver Wandler mit Verschiebung

Die kapazitiven Wandler werden zur Messung verwendetdie große Verschiebung beträgt etwa 1 mm bis einige cm. Die Fläche des kapazitiven Wandlers ändert sich linear mit der Kapazität und der Verschiebung. Anfänglich tritt die Nichtlinearität im System aufgrund der Kanten auf. Ansonsten gibt es die lineare Antwort.

Die Kapazität der Parallelplatten ist als angegeben

kapazitive Wandler-Gleichung-4

wobei x - die Länge des überlappenden Teils der Platten
ω - die Breite des überlappenden Teils der Platten.

Die Empfindlichkeit der Verschiebung ist konstant und daher die lineare Beziehung zwischen der Kapazität und der Verschiebung.

kapazitiver Wandler-5

Der kapazitive Wandler dient zur Messung der Winkelverlagerung. Sie wird von den unten gezeigten beweglichen Platten gemessen. Eine der Platten des Wandlers ist feststehend und die andere ist beweglich.

winkelkapazitiver Wandler

Das Zeigerdiagramm des Wandlers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

kapazitiver Wandler
Die Winkelbewegung ändert die Kapazität der Wandler. Die Kapazität zwischen ihnen ist maximal, wenn sich diese Platten überlappen. Der Maximalwert der Kapazität wird als ausgedrückt
kapazitive Wandler-Gleichung-7

Die Kapazität unter dem Winkel θ wird ausgedrückt als

Kapazitäts-Wandler-Gleichung-8

θ - Winkelversatz im Bogenmaß. Die Empfindlichkeit für die Änderung der Kapazität wird als angegeben

kapazitive Wandler-Gleichung-9

Der 180 ° ist der Maximalwert der Winkelverschiebung des Kondensators.

2. Der Wandler verwendet die Abstandsänderung zwischen den Platten - Die Kapazität des Wandlers ist umgekehrtproportional zum Abstand zwischen den Platten. Die eine Platte des Wandlers ist feststehend und die andere ist beweglich. Die zu messende Verschiebung ist mit den beweglichen Platten verbunden.

Wegkapazitiver Wandler

Die Kapazität ist umgekehrt proportional zumEntfernung, aufgrund derer der Kondensator die nichtlineare Antwort zeigt. Ein derartiger Wandler wird zum Messen der kleinen Verschiebung verwendet. Das Zeigerdiagramm des Kondensators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

kapazitiver Wandler-3

Die Empfindlichkeit des Wandlers ist nicht konstant und variiert von Ort zu Ort.

Vorteil des kapazitiven Wandlers

Nachfolgend sind die wichtigsten Vorteile von kapazitiven Wandlern aufgeführt.

  1. Es erfordert eine externe Kraft zum Betrieb und ist daher für kleine Systeme sehr nützlich.
  2. Der kapazitive Wandler ist sehr empfindlich.
  3. Es ergibt einen guten Frequenzgang, weshalb es für die dynamische Untersuchung verwendet wird.
  4. Der Wandler hat eine hohe Eingangsimpedanz, daher haben sie eine geringe Belastung.
  5. Für den Betrieb ist eine geringe Ausgangsleistung erforderlich.

Nachteile des kapazitiven Wandlers

Die Hauptnachteile des Wandlers sind wie folgt.

  1. Die metallischen Teile der Wandler müssen isoliert werden.
  2. Der Rahmen des Kondensators erfordert eine Erdung, um die Wirkung des Streumagnetfeldes zu reduzieren.
  3. Manchmal zeigt der Wandler das nichtlineare Verhalten aufgrund des Kanteneffekts, der mit dem Schutzring gesteuert wird.
  4. Das Kabel, das über den Wandler angeschlossen wird, verursacht einen Fehler.

Verwendung eines kapazitiven Wandlers

Im Folgenden werden kapazitive Wandler verwendet.

  1. Der kapazitive Wandler verwendet zur Messung sowohl der linearen als auch der Winkelverschiebung. Es ist extrem empfindlich und wird für die Messung sehr kleiner Entfernungen verwendet.
  2. Es dient zur Messung der Kraft undDrücke. Die Kraft oder der Druck, die gemessen werden sollen, wird zuerst in eine Verschiebung umgewandelt, und dann ändert die Verschiebung die Kapazitäten des Wandlers.
  3. In einigen Fällen wird er als Druckwandler verwendet, wenn sich die Dielektrizitätskonstante des Wandlers mit dem Druck ändert.
  4. Die Feuchtigkeit in Gasen wird durch den kapazitiven Wandler gemessen.
  5. Der Wandler verwendet den mechanischen Modifikator zum Messen von Volumen, Dichte, Gewicht usw.

Die Genauigkeit des Messwandlers hängt von der Temperaturänderung bis zum hohen Pegel ab.

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