محول الطاقة السعوي - Capacitive Transducer

ما هو محول الطاقة السعوي؟

الطاقة، لا يمكننا تدميرها ولكن يمكننا تغيير الطاقة من شكل إلى شكل آخر. في بعض المواقف، نحتاج إلى المساعدة من أحد أشكال الطاقة لتغييرها إلى شكل آخر. لذلك يمكن إجراء عملية تحويل الطاقة باستخدام “محولات الطاقة”. هناك أنواع مختلفة من محولات الطاقة مثل محولات الضغط، محولات الطاقة الكهرضغطية، محولات الطاقة فوق الصوتية، محولات درجة الحرارة، محولات الطاقة السّعوية.

تعريف محول الطاقة السعوي:

محولات الطاقة السّعوية هي محولات طاقة سلبية تحدد الكميات مثل الإزاحة والضغط ودرجة الحرارة وما إلى ذلك عن طريق قياس التباين في سعة المكثف. كما نعلم أنّ محول الطاقة يغير شكلاً من أشكال الطاقة إلى شكل آخر. لذلك، في محول الطاقة السّعوي، يتم استخدام التغيير في السّعة لقياس الكميات الفيزيائية.

مبدأ تشغيل محول الطاقة السعوي:

مبدأ تشغيل محول الطاقة السّعوي هو “السعة المتغيرة” (variable capacitance). الآن، السؤال الذي يطرح نفسه هو كيف يحدث التغيير في سعة المكثف؟ افترض وجود مكثف ذو لوحة متوازية، تُعطى سعته من خلال العلاقة التالية:

C = (ε₀ ε_r A)/d Farads

حيث:

A – تشير إلى مساحة اللوحات.

ε₀ – هي سماحية المساحة الحرة.

ε_r – هي السماحية النسبية.

d – هي المسافة بين الصفيحتين بالمتر.

يتضح من المعادلة أعلاه أنّ سعة المكثف تعتمد على مساحة الصفيحتين، والمسافة بين لوحين وسماحية المادة. وبالتالي، من خلال تغيير المساحة أو المسافة أو السماحية، يمكن تحديد الكميات غير الكهربائية. لذلك، يمكن استنتاج أنّ هناك (3) طرق يمكن من خلالها تغيير سعة محول الطاقة السّعوي. الطرق هي:

• عن طريق التغيير في منطقة تداخل الصفيحتين (A).

• بالتغير في المسافة، (d) بين الصفيحتين.

• عن طريق التغيير في السماحية النسبية للمواد العازلة الموجودة بين الصفيحتين.

عمل محول الطاقة السعوي:

عن طريق تغيير المساحة المتداخلة للوحين السعويين:

في مكثف اللوح المتوازي، الذي يبلغ عرض لوحتينه (b) ويتداخلان حتى الطول (l). إنّه يعمل بطريقة تجعل سعة المكثف متناسبة مع مساحة تداخل الصفيحتين. يتم تغيير طول التداخل هذا وفقًا للإزاحة المراد قياسها. ومن ثمّ فإنّ تباين الإزاحة يسمح بتغيير السعة. نعلم أنّ سعة مكثف لوحي متوازي معطاة على النحو التالي:

C = (ε₀ ε_r A)/d 

C = (ε₀ ε_r b l)/d Farads

حيث:

l – يشير إلى الطول المتداخل.

b – يشير إلى عرض الألواح.

S = δ C/δ l

لذلك يمكننا الحصول على:

C = (ε₀ ε_r b)/d F/m

ومن ثمّ من خلال مراقبة المعادلة أعلاه يمكننا القول أنّ الحساسية (sensitivity) ثابتة. وبالتالي، يتم رسم منحنى خطي بين السعة والإزاحة باستثناء جزء البداية. لذلك، من خلال تغيير مساحة تداخل اللوحين، يمكن قياس الإزاحة الخطية بدقة بين النطاق من (5) مم إلى (10) مم.

عن طريق تغيير المسافة بين اللوحين السعويين:

إنّ تشغيل هذه المكثفات هو أنّ سعة المكثف تتناسب عكسياً مع المسافة، أي (d) بين الألواح. ومن ثمّ تستخدم لتحديد الإزاحة الخطية. في مثل هذه المحولات، من بين اللوحين السعويين، يكون أحدهما ثابتًا “محددًا” والآخر متحركًا “غير ثابت”. لذلك، مع حركة اللوحة المتحركة، تزداد السّعة أو تنقص اعتمادًا على الإزاحة المراد قياسها. تُستخدم دائرة التيار المتردد لتحديد التباين في السعة، وبالتالي تحديد إزاحة اللوحة.

عند رسم منحنى الإزاحة والسّعة، يتضح بوضوح أنّ المنحنى غير خطي. ومن ثمّ من خلال مراقبة المنحنى، يمكننا القول أنّ المكثف حساس للغاية في البداية. وبالتالي يمكننا القول أنّ هذه المحولات تستخدم لتحديد الإزاحة الصغيرة جدًا. وبالتالي فإنّ حساسية المكثف للتغيير في المسافة تُعطى على النحو التالي:

S = δ C/δ d = (- ε₀ ε_r A)/d²

ومن ثمّ يمكننا القول أنّ حساسية محول الطاقة تختلف على مدى معين.

عن طريق تغيير سماحية المادة العازلة:

يعمل هذا النوع من المحولات من خلال التباين في السماحية النسبية للمادة العازلة الموضوعة بين الألواح. تحدد حركة المادة العازلة بين الألواح السّعة من أجل تحديد الإزاحة. هنا، المسافة بين اللوحين هي (d) بينما (b) هي عرض كل لوحة. تشير (x) إلى إزاحة المواد العازلة؛ (l) تشير إلى المنطقة المتداخلة للصفيحتين. يتم إعطاء معادلة سعة محول الطاقة على النحو التالي:

مع حركة المادة العازلة على مسافة (x)، تظهر السعة تغيرًا من (C) إلى (C – ∆C):

وهكذا يمكننا القول أنّ التباين في السعة يظهر التناسب مع الإزاحة المراد قياسها. بشكل عام باستخدام هذه الطريقة يمكن قياس الإزاحة التي تتراوح من (1) ميكرومتر إلى (10) مم.

مزايا وعيوب محول الطاقة السعوي:

مزايا محول الطاقة السعوي:

• تعرض هذه المحولات تأثيرات تحميل أقل لأنّها توفر مقاومة عالية للغاية للمدخلات.

• استجابة التردد لهذه المحولات ممتازة.

• حسّاس للغاية.

• محولات تستهلك طاقة منخفضة.

• يوفر دقة عالية.

عيوب محول الطاقة السعوي:

• بسبب مقاومة الخرج العالية، هناك حاجة إلى دائرة قياس معقدة عند الخرج.

• لتقليل فرص الالتقاط، يجب إجراء فحص إلكتروستاتيكي لهذه المحولات.

• يؤدي التغيير في العوامل الخارجية مثل درجة الحرارة والرطوبة وما إلى ذلك إلى إعاقة سعة المحولات.

تطبيقات محول الطاقة السعوي:

• نظرًا لأنّ هذه المحولات قادرة على قياس كل من النزوح الخطي والزاوي بحساسية كبيرة. ومن ثمّ تستخدم لتحديد مسافات تصل إلى حوالي (30) م.

• لا يمكن اكتشاف الإزاحة فحسب، بل أيضًا القوة والضغط. هذه أولاً تغير القوة إلى إزاحة ومع التغيير في الإزاحة، يُسمح بتغير السعة.

• أيضًا، يمكن قياس الرطوبة بواسطة محول طاقة سعوي. كما هو الحال مع الاختلاف في الرطوبة، تختلف السماحية أيضًا وهذا يؤدي إلى تغيير سعة المكثف.

• بمساعدة المعدلات الميكانيكية، يمكن أيضًا قياس الكثافة والحجم والوزن وما إلى ذلك.