3.2 Сыйымдылықтық түрлендіргіштер

Сыйымдылықтық түрлендіргіштер сыйымдылығы өлшенетін электрлік емес шама әсерінен өзгеретін конденсатор болып табылады.

Сыйымдылықтық түрлендіргіш ретінде сыйымдылығын төмендегі формуламен анықтауға болатын жазық конденсатор кең қолданылады:

,                                                           (3.1)

Мұнда ε₀ — диэлектрлік ауа тұрақтысы (ε_о= 8,85 • 10^-12 Ф/м; ε — конденсатор мұқабалары арасындағы ортаның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі; S— мұқаба ауданы; δ — мұқабалар арасындағы қашықтық.

өлшенетін электрлік емес шама осы параметрлердің кез келгенімен функционалды байланыса алғандықтан, сыйымдылықтық түрлендіргіштер құрылғысы қолдану облыстарына байланысты өте көп түрлі бола алады. Сұйық және борпылдақ денелерді өлшеу үшін цилиндрлік немесе жазық конденсаторлар; аз орын ауыстырулар, тез өзгермелі күш пен қысымды өлшеу үшін – мұқабалары арасында айнымалы саңылауы бар дифференциал сыйымдылықтық түрлендіргіштер қолданылады. Түрлі электрлік емес шамаларды өлшейтін сыйымдылықтық түрлендіргіштердің қолдану принциптерін қарастырайық.

Сыйымды деңгей өлшегіш. 3.7-суретте деңгей өлшеуге арналған түрлендіргіш – сыйымды деңгей өлшегіш көрсетілген. Ол коаксиалды конденсатор түрінде болады.

3.7-сурет сыйымды деңгей өлшегіш:

1,2— электродтар

Оның электродтары 1 и 2 бір-бірінен оқшауланған. Мұндай түрлендіргіштің сыйымдылығы С екі параллель қосылған конденсатордың сыйымдылығы сияқты анықталуы мүмкін; олардың бірі С₁ электрод және диэлектрикпен - деңгейі өлшенетін сұйықтықтан құралған, екіншісі С₂ — электрод пен диэлектриктің қалған бөлігімен — ауадан құралған: 

                                 (3.2)

Мұнда l₀ — түрлендіргіштің толық ұзындығы, м; l— сұйықтықпен толтырылған түрлендіргіш ұзындығы, м; ε₀ — электрлік ауа тұрақтысы, ф/м; ε — сұйықтықтың ди­электрлік өтімділігі; R₁ және R₂— сыртқы және ішкі цилин­др радиустары, м.

Сонымен, түрлендіргішті сұйықтықпен толтыру өлшеміне қарай оның сыйымдылығы деңгей функциясында өзгереді.

Қалыңдық өлшеуіш. 3.8-суретте диэлектрик (мысалы, резеңке) таспа қалыңдығын 2 өлшейтін сыйымдылықтық қалыңдық өлшеуіштің жұмыс принципі көрсетілген.

Таспа конденсатор мұқбаларының 1 арасына тартылады және оның қалыңдығына байланысты электродаралық кеңістіктің диэлектрлік өтімділігі өзгереді.

3.8-сурет. Сыйымды қалыңдық өлшеуіш:

1 — конденсатор мұқабалары; 2 — таспа

Егер конденсатор мұқабалары арасындағы саңылау ұзындығын δ деп, диэлектрик таспасының қалыңдығын δ_д,, ал таспаның диэлектрлік өтімділігін ε_д деп белгілесеек, онда сыйымдылықты былайша өрнектеуге болады:

Күш және орын ауыстыру өлшегіштері. Механикалық күш немесе орын ауыстыруды өлшегенде мұқаба 1, 2 мен түрлендіргіш арасындағы қашықтықтан δ сыйымдылықтың тәуелділігін пайдаланады (3.9-сурет).

3.9-сурет Орын ауытыру өлшегіші

1,2 – түрлендіргіш мұқабалары

δ саңылауы өлшенетін күш немесе орын ауыстыру шамаларына байланысты өзгереді.

Дифференциалдық түрлендіргіштер схемасы үлкен сезімталдыққа және дәлдікке ие (3.10-сурет). Мұқаба 2 серіппеге бекітілген және өлшенетін күш Р әсерінен өз өзіне параллель орын ауыстырады. 1 және 3 мұқабалары қозғалмайды. 2 және 3 мұқабалары арасындағы сыйымдылық ұлғаяды, ал 1 және 2 арасындағы азаяды.

3.10-сурет. Дифференциалдық күш өлшеуіш Р:

1 — 3 — өлшеуіш мұқабалары

Кіші орын ауыстыруларды (10^-6…10^-3 м шамасындағы) өлшеуге арналған сыйымды түрлендіргіштер жоғары сезімталдықпен, сызықтықпен, кіші қателіктермен және бірмезгілде құрылу қарапайымдылығымен және қозғаламалы бөліктің жеңілдігімен ерекшеленеді.

Сыйымды түрлендіргіштері бар өлшеу тізбектері. Көп жағдайда сыйымды түрлендіргіштер көпірлік айнымалы ток тізбегіне қосылады. Дәлдік пен сезімталдықты көтеру үшін сыйымды түрлендіргіш дифференциалдық етіп жасалады және көпірдің көрші иықтарына қосылады (3.11-сурет).

3.11-сурет. Сыйымды түрлендіргіштердің диффе­ренциалдық қосылу схемасы

Мұндай түрлендіргіштердің артықшылықтарын жүзеге асыру үшін өлшеу тізбегіне қойылатын талаптарды орындау қажет.

Сыйымды түрлендіргіштердің ереже бойынша сыйымдылығы аз (ондаған-жүздеген пикофард) және сондықтан да өнеркәсіптік жиілікте қуаты да аз болады. Мысалы, егер түрлендіргіштің сыйымдылығы С= 100 пФ болса, онда f= 50 Гц жиілікте және кернеу мәні U= 50 В болғанда мынаны аламыз

Р_Пр = U² ωC = 50² · 2π50 · 100 · 10^-12 = 80·10^-16 В·А.

Егер өлшеуіш қуаты түрлендіргіш қуатынан кіші болу керек болса, онда өлшегіш ретінде тек электрондық құрал қолданылады.

Сыйымды түрлендіргіштің кедергісі өте жоғары.жоғарыда келтірілген түрлендіргіш үшін

Мұндай кедергі көпірдің шығыс диагоналында үлкен кедергіні қажет етеді. Бұл шартты кіріс кедергісі үлкен электрондық құралдар қанағаттандыра алады. Сонымен қатар, мұндай үлкен кедергіде өлшеу тізбегі мен өлшегіштің оқшаулануына да талаптар қатаң болуы керек. Егер түрлендіргіш кедергісі өлшеу тізбегенің оқшаулану кедергісімен салыстырылаиын болса, онда ағыс тогы түрлендіргіштегі токпен салыстырылады. Сондықтан сыйымды түрлендіргіштер көбінесе қуатын ұлғайтып, кедергіні азайтатын жоғары жиілік тізбектерінде қолданылады.

Сілтеулерді болдырмау үшін барлық келтіруші өткізгіштер мұқият оқшаулануы қажет, ал жерге қосу нүктелерін тізбекте жұмыс сыйымдылықтарды шунттайтын элементтердің болмайтындай таңдау қажет.

Түрлендіргіштердің кернеу көзі әуе аралығының тесіп өту қауіптілігіне байланысты шектеледі. әдетте жіберілетін кернеу 700 В/мм құрайды. Кернеуді конденсатор мұқабалары арасына жұқа слюда пластинкасын қойып ұлғайтуға болады, себебі слюданың тесіп өту кернеуі 10³ кВ/мм шамасында. Мұндай пластинканың болуы шығыс кернеудің күш немесе саңылау өзгерісінен сызықты тәуелділігін алуға жағдай жасайды U=f(Δδ).