Емкостный метод измерения основан на зависимости электрической емкости конденсатора при постоянной площади электродов от расстояния между ними и электрофизических свойств среды, находящейся в межэлектродном пространстве.
Электрическая емкость C, образованная двумя плоскими электродами площадью S с расстоянием между ними h, и заполненная средой с диэлектрической проницаемостью e определяется следующим выражением:
C = eoeS / h, (5.5)
где eo= 8,854×10–12 Ф/м – электрическая постоянная.
Как следует из выражения (5.5), при жесткой конструкции электрических электродов основными переменными, оказывающими влияние на электрическую емкость конденсатора, являются электрофизические свойства исследуемого вещества, а точнее его диэлектрическая проницаемость.
На основе контроля диэлектрической проницаемости может функционировать большое количество различных высокоточных диагностических систем, включая систему измерения давления. Но для их создания необходимо иметь достоверные сведения об электрофизических свойствах исследуемых веществ. Кроме того, диэлектрическая проницаемость зависит не только от давления, но и от температуры, и иных фазовых включений.
Анализ (5.5) показывает, что если в вакууме e = 1, а диэлектрическая проницаемость воздуха близка к единице, то емкостный метод может использоваться, когда от давления будет зависеть расстояние между электродами. Такие конструкции имеют место, если роль одного или двух электродов выполняют мембраны, изменяющие свою форму под воздействием давления. Такие типа манометров подобны по конструкции конденсаторным микрофонам, в которых изменение емкости происходит за счет прогиба диафрагмы (мембраны) под действием измеряемого давления. Емкостные преобразователи давления могут функционировать с использованием растягивающейся диафрагмы или тонкой деформируемой мембраны (рис. 5.3а) или защемленной упругой мембраны (рис. 5.3б). Обязательное требование – электроды должны быть проводниками.
Рис. 5.3. Емкостный преобразователь:
а – с растягивающейся диафрагмой; б – с защемленной мембраной; 1 – мембрана (диафрагма); 2 – упоры; 3 – недеформируемый электрод
Совмещение возможности растяжения и проводимости затрудняет широкое применение такой конструкции. Наиболее распространены преобразователи с защемленной мембраной. Толщина деформируемой мембраны выбирается, исходя из зазора между деформируемым и стационарным электродами, оптимальной для регистрации изменения электрической емкости и предельного прогиба мембраны.
Упоры между электродами изготавливаются из диэлектрического материала, основными требованиями, предъявляемыми к которому, являются: высокая электрическая изоляция и малое температурное объемное расширение. В противном случае изменение температуры может приводить к варьированию показаний измерителя.
Если между обкладками конденсатора находится вакуум или воздух, то для получения результирующего сигнала только по величине измеряемого давления могут применяться несложные измерительные схемы.
Зависимость диэлектрической проницаемости воздуха от температуры очень мала, колеблется в пределах 10–5…10–7 %, и ею можно пренебречь.
Преимущество емкостного метода – относительная простота конструкций первичных преобразователей. К недостаткам относятся: повышенные требования к электрической изоляции; необходимость экранирования соединительных линий; влияние на результат измерения краевых эффектов преобразователя.
