Kondensator zmienny walcowy różnicowy i pomiar przemieszczenia

Witam.
Na początku tego wątku chcę podyskutować na temat budowy samego kondensatora , jakie materiały itp.

Kondensator ma być zrobiony w kształcie walca i najlepiej na obrazku widać o co chodzi.


Element o promieniu większym "R" jest nieruchomy , element o promieniu "r" porusza się w obu kierunkach (prawo - lewo).
W środkowym położeniu tworzą się dwa identyczne kondensatory C1 i C2 , natomiast gdy przesuniemy wewnętrzny element względem stałego oznaczonego trójkątem to zmieni się i C1 i C2 aż do momentu gdy C1 (lub c2) będzie=0 faradów a drugi będzie miał maksymalną pojemność. To właśnie istota kondensatora różnicowego.

Problemy jakie widzę to :
dielektryk między okładzinami musi być cienki by uzyskać sensowną pojemność ale wówczas każda różnica w symetrii będzie powodować spore zniekształcenia.
Najlepiej znów na rysunku :


Niech to niebieskie będzie rurką miedzianą - jedna okładzina kondensatora - nieruchoma.
To żółte niech będzie rurką z tworzywa (lekka) na którą nanosimy okładziny kondensatora i dielektryk o pewnej grubości .
Dielektryk musi być również materiałem który łatwo "ślizga się" w miedzianej rurce.
LUZ między ruchomą i nieruchomą częścią kondensatora oznaczyłem jako "d". W idealnym momencie "d" jest wszędzie takie samo jak na rysunku po lewej , ale w rzeczywistości będzie różne jak na rysunku po prawej gdzie są cztery różne "d".

Na razie tyle , za chwile dopisze .



Ale musimy jeszcze uzupełnić ten wzór o fakt że między "r" a "R" musi być szczelina powietrzna "d" .

R - możemy przyjąć równe 15 mm i jest wewnętrzny promień rurki miedzianej czy aluminiowej .
r - możemy przyjąć równe 14,5mm i jest to promień okładzin !!!
na tych okładzinach jest jeszcze dielektryk o grubości np 0,4mm i powstaje w ten sposób szczelina powietrzna "d" równa 0,1 mm

14,5 + 0,4 + 0,1 = 15 mm

Mamy grubość dielektryka = 0,4 mm i szczeline =0,1mm i trochę teoretycznej zabawy :
jeśli szczelina =0 a grubość dielektryka = 0,5 mm to powyższy wzór jest słuszny.

Jeśli szczelina "d" jest równomierna ja na rysunku po lewej to łatwo wzór poprawić , ale jeśli jest nierównomierna jak na rysunku po prawej to kicha

Już nie chodzi o wzór i wyliczenie wartości , ale a fakt że podczas ruchu szczelina będzie się zmieniać i wprowadzać przekłamanie .

Jeżeli r zrobilibyśmy o wielkości = 14mm a dielektryk miałby wtedy grubość 0,9mm i szczelina 0,1mm to przekłamanie będzie wiele razy mniejsze ale pojemność kondensatora spada drastycznie.

Dodano po 4 [godziny] 41 [minuty]:

Różna wielkość szczeliny widać na tym obrazku gdzie są trzy przekroje z trzech miejsc - czerwona kreska pokazuje z której cześci pochodzi przekrój :



Srodkowy wycinek będzie najbardziej zbliżony do ideału gdzie "d" ma być równomierne, ale nie zawsze tak musi być, może być sytuacja gdy wszystkie wycinki będą prawie identyczne np takie jak wycinek pierwszy-wtedy zakłócenie było by wprowadzone na tyle równomiernie w każdym kawałeczku kondensatora że dzięki "różnicowej budowie" znosiło by się !

LUZ - czyli rozmiar szczeliny powietrznej d w stosunku do grubości dielektryka (żółty obszar) ma spory wpływ na przekłamania wprowadzane podczas ruchu , druga sprawa to Przenikalność . Powietrze ma przenikalność około 1 , a dielektryki dużo więcej .

Policzę jedną część kondensatora (np C1 czy C2) przy założeniu że ruch elementu ruchomego to + 1cm - 1 cm , czyli w sumie 2cm , dlatego okładzina stała musi mieć więcej niż 2cm np 3 cm , czyli l=3cm.
r=14,5mm
R=15 mm
Oraz na razie przyjmę przenikalność = 1 , tak jak dla szczeliny powietrznej.

C = 49,2 pF

Dla przenikalności dielektryka dużo większej np =10 :

C = około 480 pF (gdyby nie szczelina powietrzna a w jej miejscu dielektryk to 492pf i brak Luzu = tarcie)

Kondensator - część ruchoma - będzie pracował z f rzędu 10-200 Hz więc nie może być zrobiony na ciasno , Luz jest niezbędny.

elmłot wrote:

Kondensator - część ruchoma - będzie pracował z f rzędu 10-200 Hz więc nie może być zrobiony na ciasno , Luz jest niezbędny.

Już choćby z tego względu trudno będzie zapewnić stałość szczeliny. Można by wprawdzie próbować stworzyć poduszkę powietrzną, ale i tak konieczna byłaby eliminacja sił poprzecznych. Proponowałby raczej przyjrzeć się rozwiązaniu stosowanemu akcelerometrach MEMS, np.: http://large.stanford.edu/courses/2007/ph210/noriega1/images/f5.jpg

W przedstawionym (wyżej post) rysunku , również muszą być luzy i problem podobnej natury.
Ponadto nie widzę możliwości by odstęp między elektrodami był w granicy od 0 do 2cm.

Ruch elementu ruchomego w granicy +/-1cm (czyli 2 cm) i częstotliwość rzędu 100Hz wymusza by element nie był ciężki oraz opór powietrza był mały .
Jeśli zastosujemy płaski kondensator na wzór MEMS to powierzchnia elektrod musi być duża, a zatem i ciężar i opór powietrza będzie zbyt duży by nie "hamować" mierzonego ruchu - zrobimy tłumik.

Ze względów mechanicznych najlepsze rozwiązanie to jednak kondensator Walcowy , nie musi być masywny , jest Liniowy .
W przykładzie z Mems będzie gorzej z Liniową Charakterystyką i ciężar płyt ruchomych będzie duży by zapewnić ich sztywność .


Myślę za trzeba przemyśleć co będzie gdy :

1) zrobimy kondensator z szczeliną "d" średnią 0,1mm , promień nieruchomej płyty (elektrody) 15mm , ruchomych 14,5mm , warstwa dielektryka 0,4mm o przenikalności bardzo dużej np 50

2)zrobimy kondensator z szczeliną "d" średnią 0,1mm , promień nieruchomej płyty (elektrody) 15mm , ruchomych 14,5mm , warstwa dielektryka 0,4mm o przenikalności małej np 1

3)zrobimy kondensator z szczeliną "d" średnią 0,1mm , promień nieruchomej płyty (elektrody) 15mm , ruchomych 14mm , warstwa dielektryka 0,9mm o przenikalności bardzo dużej np 50

4)zrobimy kondensator z szczeliną "d" średnią 0,1mm , promień nieruchomej płyty (elektrody) 15mm , ruchomych 14mm , warstwa dielektryka 0,9mm o przenikalności małej np 1

Nie łatwiej zrobić kondensator z pojedynczych blaszek które wchodzą jedna w drugą tak jak to jest w trymerze ?
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kondensator_zmienny
jeśli potrzeba dwóch kondensatorów gdzie przy wzroście pojemności malała druga to można połączyć dwa trymery, jeden bezpośrednio do osi, drugi poprzez dwie zębatki aby była negacja.

Problemu LUZU nie da się uniknąć , również w wyżej proponowanym układzie .

Przy częstotliwości ruchu rzędu 100Hz (10 do 200) odpadają jakiekolwiek zębatki.

Problem można jedynie jak widzę zminimalizować.

Jak wyżej pisałem , rozpatrzyłem 4 wycinki tj : punkt na godzinie 12, na godzinie 3 , 6 i 9
Potraktowałem te 4 miejsca - wycinki kołowe , jako 4 cząstki kondensatora .
Przy idealnie centrycznym położeniu elementów , ruchomego i nieruchomego pojemność tych 4 miejsc jest taka sama i wynosi 4 x 2= 8 jednostek. Wyliczenie z przenikalnością dielektryka =1 , czyli tak samo jak dla szczeliny powietrznej.
Następnie przyjąłem maksymalnie skrajne położenie co oznaczą że w punkcie 12 godzina elementy mają szczelinę powietrzną =0 a w punkcie 6 godzina szczelina =0,2mm
W punktach 9 i 3 godzina szczelina =0,1mm
Wówczas pojemność tych 4 miejsc (cześci kondensatora) jest równa :
12h= 10/4
6h = 10/6
3 i 9 h = 10/5
w sumie to 8,16666....

Różnica między ideałem (8j) a najgorszym położeniem (8,1666...) to błąd maksymalny i jest rzędu 2%

Powyższe dla dielektryka o przenikalności =1 i grubości = 0,4mm .

To samo dla dielektryka o przenikalnosci = 1 i grubości = 0,9mm daje nam błąd rzędu 0,505%

Więc jest sposób by zniwelować błąd , ale kosztem zmniejszenia pojemności .

Rozważyłem więc 2 punkty z 4 , pozostaje teraz zmenić przenikalność na większą od 1 np na 50 czy nawet na 100.

I to powinno nam pomóc osiągnać błąd już bardzo bardzo mały (promil)

AVE...

Wycinasz szeroki, prostokątny pasek miedziany, przecinasz go po jednej przekątnej i naklejasz na nieprzewodzące podłoże, pod nim musi być twarda powierzchnia. Na to nakładasz cienką warstwę izolacyjną, Twój dielektryk. Do dielektryka dociskasz metalowy wałek, który będzie Twoją drugą elektrodą. Ewentualnie możesz wałek owinąć dielektrykiem, a elektrody pozostawić gołe, nawet wytrawić je na PCB i pokryć złotem galwanicznie. Możesz umieścić dwie takie płytki elektrodami do siebie, i między nimi umieścić popychacz z dwoma wałkami i sprężyną, która będzie je dociskać do płytek. Łącząc odpowiednie kondensatory szeregowo uzyskasz większą zmianę pojemności...

Urgon - tylko że łożyskować można każdą konstrukcje ruchomą a w twoim pomyśle - docisk musi być łożyskiem . Nie wiem jak z trwałością będzie , 100, 200 Hz to wbrew pozorom sporo.
Proponowana wyżej płaska konstrukcja dobra była by , ale jako czujnik optyczny, jeden trójkącik świeci na zielono , drugi na czerwono a nad nimi w niewielkiej odległości linijka fotoczuła coś na wzór skanera.
Pomiar bezdotykowy.


Wracając jednak do walcowego i RÓŻNICOWEGO , to policzyłem w jakim stopniu wkrada się błąd w oba kondensatory C1 i C2 . Okazuje się że błąd wkrada się w takim samym stopniu w OBA , stosunek wartości C1 do C2 nie zmienia się !!!

Wiec teraz trzeba porównywać C1 i C2 ale stosunek tych wartości nie różnice.


Taki przykład :
jeżeli idealnie centrycznie są obie okładziny kondensatora to mamy C1=100pF i C2=50pF , jeśli nieco się skrzywi oś wewnętrznej okładziny to powstanie nam C1b=102pF i C2b=51pF

Różnica C1-C2 = 100-50 = 50
różnica C1b-C2b= 102-51= 51
Bład =1

Stosunek C1/C2 = 100/50 czyli 2 do 1
Stosunek C1b/C2b = 102/51 czyli też 2 do 1
bład =0

Dodano po 5 [godziny] 6 [minuty]:

Mam zatem kondensator różnicowy,który składa się z dwóch i muszę porównać ich wartości . Najprościej to dzielnik zrobiony na tych kondensatorach :



Ze względu na wielkość (mizerną) C1 i C2 w okolicy od kilku do 100pF , problemy pewnie się pojawią choćby z długością przewodów .

Przewody od Generatora do czerwonych okładzin będę prawie identycznej długości około 6-8 cm muszą być bardzo elastyczne , mogą biec razem, przewód od "środka" niebieski - będzie krótszy ,do 5 cm.

I tutaj jakieś podpowiedzi odnośnie zamiany wartości "stosunku C1/C2" na napięcie .
Napięcie następnie podane ma być na mikrokontroler a dokładnie na przetwornik A/C mikrokontrolera.

Kolego elmłot. Mam takie pytanie do Ciebie. Widze ze generujesz bardzo duzo tekstu, wzorow i przykladow teoretycznych (teorii bardzo nie lubie) ale nie w tym rzecz. Chcialbym sie dowiedziec co chcesz uzyskac zastosowaniem tego kondensatora?

Czy dobrze rozumiem ze ten system ma badac polozenie "czegoś" co porusza sie z max 200 ruchów na sek?

Jesli tak to dlaczego w takim razie kolega nie zastosuje np tensometru i odginajacej sie elastycznej blaszki albo poprostu od dawna stosowanego w przemysle pomiaru indukcyjnego 2 cewki na aluminiowej rurce a w srodku ferromagnetyk.

Chyba ze jest to na jakas prace naukowa w celu udowodnienia ze tak tez sie da, to wtedy inna sprawa.

Pozdro.

elmłot wrote:

[...]Ze względu na wielkość (mizerną) C1 i C2 w okolicy od kilku do 100pF , problemy pewnie się pojawią choćby z długością przewodów .
[...]I tutaj jakieś podpowiedzi odnośnie zamiany wartości "stosunku C1/C2" na napięcie .
Napięcie następnie podane ma być na mikrokontroler a dokładnie na przetwornik A/C mikrokontrolera.

Skoro ma to wchodzić do mikrokontrolera, to zamiast konwersji pojemność/napięcie i napięcie/cyfra można zrobić przetwarzanie pojemność/czas(lub częstotliwość) i analizować programowo.
Są dostępne również przetworniki pojemność/cyfra, np.:
http://www.analog.com/en/analog-to-digital-co...nce-to-digital-converters/products/index.html
i bardzo lubiany przeze mnie:
http://www.smartec-sensors.com/en/products/uti-interface-en.html

Tomasz Gumny wrote:

Skoro ma to wchodzić do mikrokontrolera, to zamiast konwersji pojemność/napięcie i napięcie/cyfra można zrobić przetwarzanie pojemność/czas(lub częstotliwość) i analizować programowo.

Tak , myśle zastosować coś w stylu STM32 F103 .......
Posiada 2 przetworniki A/C , jeden z nich mogę wykorzystać "do kondensatora" lub tak jak piszesz wyżej. Mam więc pytanie jak często będzie można dokonywać analizy programowo? Ile razy na sekunde? jeśli by nie stosować dodatkowych przetworników a jedynie wykorzystać mikrokontroler do zliczania impulsów.
(później dopisze - teraz brak czasu)

Kondensator jest w pobliżu pola magnetycznego - odpada czujnik indukcyjny.

elmłot wrote:

Mam więc pytanie jak często będzie można dokonywać analizy programowo? Ile razy na sekunde?

Normalnie pojemność mierzy się konstruując na niej generator. Dla małych pojemności zlicza się liczbę impulsów z generatora, dla dużych mierzy się okres bramkując nim impulsy generatora wzorcowego. W tym wypadku najkorzystniej byłoby skonstruować generator, który wykorzystuje stosunek dwóch pojemności.

elmłot wrote:

Kondensator jest w pobliżu pola magnetycznego - odpada czujnik indukcyjny.

Może się zdarzyć, że na okładkach i doprowadzeniach zaindukuje się sygnał zakłócający pracę generatora.

AVE...

Nie podoba mi się za bardzo konstrukcja mechaniczna tego kondensatora. Dlatego zaproponowałem alternatywę ze stałym dociskiem. Teraz mam jeszcze lepszy pomysł. Pręt metalowy, ruchomy i ułożyskowany by mógł się poruszać dostatecznie szybko, na nim walec będący jedną okładką kondensatora, na to nasunięte dwie większe rurki z odstępem między nimi. Zasadniczo to odwrócenie oryginalnej konstrukcji autora. Walec musi być na tyle długi, by w skrajnym położeniu jego krawędź zawsze wchodziła pod jedną z rurek. Jeśli konstrukcja będzie dostatecznie ułożyskowana i usztywniona, to nie będzie problemów z odległością między okładkami. Jako układ pomiarowy można wykorzystać moduł CTMU mikrokontrolera PIC, starczą dwa kanały, wtedy walec będzie stanowił masę dla układu pomiarowego. Moduł mierzy czas ładowania kondensatora korzystając z precyzyjnego źródła prądowego. Poprawne skalibrowanie tego źródła(programowe) pozwala na pomiar pojemności rzeczywistej, nawet do ułamków pikofarada. Zamiast mierzyć pojemności kondensatorów można mierzyć zmiany tych pojemności i wyznaczać w ten sposób położenie walca. Wsuń plastikową folię między rurki i walec, i niech nawet będzie minimalna szczelina powietrzna, by tarcie nie zniszczyło folii, a i tak pojemność takiego kondensatora wzrośnie. Tak czy siak połączenia powinny być jak najkrótsze, by uniknąć pojemności pasożytniczych, oryginalnym rozwiązaniu przewody byłyby narażone na nadmierne obciążenia i na kontakt z metalowymi częściami urządzenia, przez co by powstawały dodatkowe kondensatory o losowej pojemności...

Urgon
wiem że nie opisałem tutaj całego urządzenia , ale nie będę tego robił bo za dużo pisze

Ciężar części ruchomej mus być mały ponieważ cały napęd i element wykonawczy drga z f 10-200 Hz - bezwładność! Waży on może 100 gram a raczej mniej.
A drgania ±1cm przy f=100Hz to spore przeciążenia i masa nie może być dowolna.

Nie mogę dokładać za dużo masy , a ja praktycznie nic nie dokładam tylko wykorzystując kawałem miejsca , nakleić muszę folie na istniejącym już wałku by zrobić okładziny i zabezpieczyć to dielektrykiem , czyli dołożę 1-2 gramy. Tuleja stała może mieć już większą mase - nie drga, jedynie muszę ja dopasować do tego wałka na którym nakleję okładziny.

Większe ustrojstwa stanowić będą "hamulec" czy tłumik.

Indukcyjny jak wcześniej pisałem odpada, foto ... raczej też - z czasem kurz i kłopot, może ultradźwięki jedynie albo tak jak teraz kombinuje.

Na razie doszedłem do tego że jednak nieosiowość nie będzie przeszkadzać jeśli wiemy na czym wic polega i teraz najprościej to dzielnik napięcia , tak jak narysowałem prowizorycznie . A prosiło by się o zastosowanie wzm. różnicowego , ale wówczas będzie nam dokuczać nieosiowość , dlatego musimy Podzielić (porównać) a nie odejmować .

Tutaj trzeba mieć na uwadze małą pojemność i zagrożenia z tym związane.
I co dalej z tym zrobić , czy generator sterowany "dzielnikiem pojemnościowym"
+ zliczanie impulsów - czyli bardziej cyfrowo , czy przetworzenie f na U czyli bardziej analogowo.

Na końcu ma być i tak język dla mikrokontrolera czyli wydaje się że zliczenie impulsów generatora przestrajanego dzielnikiem.

Długość przewodów ;
niebieski może wynosić blisko zera - gdy układ generatora będzie przytwierdzony do okładziny nieruchomej (niebieskiej)
czerwone musza mieć około 5cm minimum , raczej 6 -7cm ponieważ muszą być np w miejscu mocowania do układu generatora zrobione w kształcie U by zapewnić ruch +/- 1cm
Nie jestem w stanie przewidzieć czy będą poważne zakłócenia w związku z tą długością przewodów, ale podejrzewam że zakłócenie mogą się znosić.
Za chwile narysuje.



Jeżeli cx są identyczne , R i L również czyli trasa i długość przewodów taka sama to ewentualne zakłócenia nie zmienią "stosunku".
Szkodliwa wówczas jest pojemność cy - a wystąpi bo przewody idą blisko siebie by miały taką samą trasę i długość a więc możliwość załapania tych samych zakłóceń.

Tomasz Gumny wrote:

Skoro ma to wchodzić do mikrokontrolera, to zamiast konwersji pojemność/napięcie i napięcie/cyfra można zrobić przetwarzanie pojemność/czas(lub częstotliwość) i analizować programowo.
Są dostępne również przetworniki pojemność/cyfra, np.:
http://www.analog.com/en/analog-to-digital-co...nce-to-digital-converters/products/index.html
i bardzo lubiany przeze mnie:
http://www.smartec-sensors.com/en/products/uti-interface-en.html

Tomasz , tak w skrócie . Jak szybko dokonują przetwarzania - ile razy na sekunde?

By jako tako odwzorować ruch z f bliską 200Hz trzeba kilkaset punktów w czasie okresu zmierzyć. W ciągu sekundy wychodzi np 200x500= 10 000 razy na sekunde lub więcej , im więcej tym lepiej.
By uzyskać większą rozdzielczość trzeba wydłużyć czas pomiaru.


Zliczanie impulsów ma tą wadę że trwa i czas pomiaru jest długi a więc nie można zrobić szybkich pomiarów by było ich dużo w ciągu sekundy.


Szybki pomiar możliwy byłby przy zastosowaniu dzielnika pojemnościowego i pomiaru napięcia szczytowego.
Przetwornik A/C mikrokontrolera może pracować z fmax=1MHz więc generator częstotliwości grubo ponad 1MHz np 10MHz
Lub obniżyć częstotliwość pracy przetwornika A/C w mikrokontrolerze.

Proponuję zobaczyć przykład zastosowania kondensatora do pomiaru przemieszczenia w tym projekcie: http://elm-chan.org/works/vlp/report_e.html
opis w sekcji: Position Detector
schemat całości: http://elm-chan.org/works/vlp/galamp.png na U5 jest napięcie proporcjonalne do wychylenia osi.
Co prawda nie jest to kondensator walcowy ale jak najbardziej nadaje się do podłączenia walcowego

AVE...

A ja proponuję koledze zobaczyć ten dokument:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/01375a.pdf
Ze szczególnym uwzględnieniem strony 5, punktu 3 na stronie 2 i punktu 14 na stronie 4...
Problemem z tym modułem może być prędkość pomiaru. Z tego, co wyczytałem w paru innych notach moduł może wykonywać próbkowanie jednego kanału co 6 mikrosekund, może być ciut za mało dla dużej dokładności...

Oglądam ten rysunek nr 4c z opisu w sekcji: Position Detector od Radziuka i nie bardzo mi to pasuje co oni piszą . Zrobiłem symulacje w EWB i tak jak sądziłem , napięcie Vo to napięcie o przebiegu takim jaki ma generator - prawdopodobnie odwrócone o 180°.
Natomiast wartość jego jest taka sama jak wartość napięcia z generatora, nic się nie dzieje podczas zmiany C1 i C2 (kondensatora z rysunku).

Urgon , będę czytał , chcę po kolei postudiować i pomyśleć
Dzięki za zainteresowanie.

Dodano po 2 [godziny] 45 [minuty]:

Z tego co poczytałem to moduł CTMU jest w sporej części układów Mikrochip - zobaczę jeszcze na ceny , czy 16 bitowy czy 32 bitowy ile pamięci itp.
Odnośnie samego modułu to piszą że do 10 µs trwa czas ładowania i niby metoda pomiaru pojemności to stały czas i stały prąd ładowania + pomiar napięcia do jakiego naładuje się badana pojemność . Więc może 10 µs to cały cykl czy inaczej mówiąc każdy cykl zaczyna się co 10µs i mamy wówczas częstotliwość próbkowania = 100 kHz - super
Z opcji na str 2 : 2. Microphone (Direct Audio-to-Digital) wynika że można by na zasadzie mikrofonu , non stop badać pojemność (ale tylko jedną chyba) i czujnik zrobiony z kondensatora działa jak mikrofon a moduł CTMU "digitalizuje" sygnał z kondensatora.

Tylko jeszcze ten problem , by porównać dwie pojemności C1 i C2 , ale chodzi mi po głowie taki manewr - tylko nie doczytałem o tej Kalibracji , by brać sygnał z dzielnika jaki robi się na kondensatorze C1/C2.

LTspice ładnie pokazuje:
1000p+ 10p -1.23701V
1000p+ 500p -317.314mV
1000p+1000p +15.7081µV
500p+1000p +317.288mV
10p+1000p +1.23677V
Akurat niefortunnie wysokie wartości przyjąłem. Ale w symulacji chociaż przy 10p+20p też bardzo ładnie widać działanie.

Muszę jeszcze zobaczyć na całą rodzinę PIC i czym to się je
Ilu bitowe są przetworniki A/C itp.

W STM32 przetworniki są 14 bitowe a tu nie wiem czy czasem nie wszystkie na 10 bitach kończą.

Radziuk mam w takim razie prośbę:
zobacz na takie wartości C1 i C2 (parami podaje):
a) 10pF i 100pF
b) 12pF i 120pF
c) 12pF i 102pF

AVE...

Czas między pomiarami może wynosić 6uS według niektórych not. CTMU działa zasadniczo tak samo w każdej konfiguracji sprzętowej, różnica tkwi w oprogramowaniu. Musisz to robić na dwóch kondensatorach? Jeśli tak, to użyj dwóch kanałów i próbkuj na zmianę jeden i drugi kondensator względem masy. Zmniejszy to częstość pomiaru, bo trza przełączać się między wejściami modułu, ale za to masz prostą korekcję błędów: suma wartości z obu kanałów powinna być w miarę stała...
Osobiście zrobiłbym jednak jeden kondensator: okładzina na elemencie ruchomym sięga troszkę ponad połowę długości ruchu, okładzina zewnętrzna od połowy do końca...
Jeszcze inną opcją jest pomiar optyczny lub ultradźwiękowy odległości, wtedy masz dokładność pomiaru czasu poniżej nanosekundy...

a) 10pF i 100pF -> +1.1037V
b) 12pF i 120pF -> +1.1163V
c) 12pF i 102pF -> +1.101V

I właśnie tu jest problem :
a) przy stosunku 10/100 jest napięcie 1,1037V
b) przy takim samym stosunku jest wyższe napięcie bo 1,1163V

kondensator może stać nieruchomo w osi którą mierzy ( np prawo lewo) a jedynie nieco się przekrzywić i jego pojemność się zmieni , ale zmiana jest zawsze proporcjonalna w obu częściach tj C1 i C2

Tutaj podałem zmianę z 10 i 100 na 12 i 120 czyli o 20%
Stosunek pozostaje nadal 1/10 a jednak napięcie pokazuje inne - błąd ponad 1%

Natomiast jeśli do obu kondensatorów dodamy 2pF jako błąd wynikający z faktu że nie zawsze identycznie ułożą się ruchome części przewodów (chyba dużo dodałem - 2pF ) to może pojawić się błąd a i c tj 0,245% a sądzę że aż takiej różnicy nie da się osiągnąć na 3-4 cm długości które muszą być ruchome.


Jeśli szczelina powietrzna = grubość dielektryka o przenikalniości =1 to możliwa zmiana pojemności = 50%
jesli dielektryk jest "lepszy" to dla mnie gorszy, bo gdy jego przenikalniość =np 5 to zmiana pojemności wówczas będzie ponad 100% - wystarczy by skrzywić oś a nie wykonywać ruchu w mierzonym kierunku

AVE...

Dlatego proponowałem, by na wałku była jedna okładzina, a dwie na zewnątrz. Wałek może być uziemiony, więc nie będzie problemów ze zmianą pojemności przewodów...

Dlatego też przyjmuje że grubość dielektryka musi być znacznie większa od szczeliny powietrznej i przenikalność w miarę mała co skutkuje tym że uzyskam małą pojemność rzędu 50pF

To co proponujesz jest oki i nie widzę przeszkód by tak zamienić.

Największe jednak przekłamanie można zniwelować teoretycznie do zera stosując dzielnik lub dokonać równocześnie (w miarę równocześnie) pomiaru C1 i C2 i programowo porównać je

AVE...

Pomiar co 6uS, o ile zmieni się pojemność w takim czasie?
Idź w stronę zwiększania pojemności, dielektryki o wyższym współczynniku, etc. Musisz odróżniać małe zmiany "szumu" wynikające z niedoskonałości mechanicznych urządzenia od dużych zmian "sygnału użytecznego" czyli tego, co chcesz mierzyć. Załóżmy pomiar co 10uS, uśredniaj wynik co 100uS. Wynikowa częstotliwość próbkowania 10kHz spełnia kryterium częstotliwości Nyquista, bo jest znacznie powyżej 200Hz...

Największe zagrożenie znacznej zmiany pojemności spowodowanej nie tyle ruchem w badanym kierunku co "skrzywieniem" osi widzę w momencie "zwrotów" .
Siła pcha tłok w lewo i kiedyś ta siła ustaje a pojawia się siła przeciwna która zaczyna go wciągać w prawo i wówczas będzie sytuacja że przez pewien czas "nawrotu" będą zmiany pojemności obu kondensatorów nie wynikające z badanego ruchu a z faktu zmiany kierunku przyłożenia siły . Masa "pędząca" w jednym kierunku musi wyhamować i zmienić kierunek na przeciwny , co się będzie dziać ? trudno przewidzieć , ale oś ruchu zapewne się w tym momencie będzie zmieniać.

Dlatego moim zdaniem musi być porównanie C1 z C2 lub pomiar napięcia z dzielnika C1/C2 . Jeśli da sie zrobić nie 10 kHz a 100kHz (częstotliwość pomiaru) to dlaczego nie.
Mając taką prędkość pomiarów i mikrokontroler , zapisuje non stop pomiary w tabelce i zawsze biorę kilka ostatnich pomiarów wyliczając następne (przyszłe) prawdopodobnie położenie , najprościej z MNK , ale można dalej bawić się w algorytmy lepiej przewidujące, oraz można wykluczyć najbardziej odstające sąsiednie pomiary - uznając że są obarczone największym błędem.
Mając mało pomiarów do dyspozycji w jednostce czasu - wiele się nie wykombinuje i każdy "zły" pomiar wprowadzi zamieszanie.

Przyjąć można że w ciągu 1/200 (100Hz i maksymalny skok 2cm) s tłok robi 2cm jako maksymalną prędkość i to raczej z zapasem więc mamy 0,02m /0,005s co daje nam V=4 m/s
4m/s = 4mm/ms = 0,004mm /us wiec w czasie 6us mamy zmianę długości o 0,024mm
Jeśli zaś przyjąć że na 24mm (ruch jest 2cm więc nieruchoma okładzina musi mieć ponad 2cm) mamy 50pF to zmiana jest o 0,1% o 0,05pF

Chociaż możliwe są większe prędkości chwilowe czyli można przyjąć że poniżej 10m/s co daje zmianę rzędu 0,2% czyli około 0,1pF na 6 us.

AVE...

Jeśli możesz, to zwiększ pojemność układu pomiarowego o rząd wielkości, albo dwa. Wtedy wszelkie zmiany będą łatwiejsze do zmierzenia, co zmniejszy różne błędy wynikające choćby z ruchu powietrza wokół elementów. Spróbuj pomyśleć też nad metodą minimalizacji odchyleń od osi ruchu wałka. Sprawdź, czy wogóle masz taki problem...

Jeszcze jedna opcja, która mi wpadła do głowy: pasek magnetyczny i dwuścieżkowa głowica. Na pasku nagrane dwie serie impulsów w przeciwfazie. Całość będzie dawała sygnał jak enkoder, co układ CTMU w konfiguracji do pomiaru czasu może zliczać dając informacje o kierunku ruchu i jego prędkości. Położenie będzie równe ilości zliczonych pomiarów...

Myślałem o zastosowaniu głowicy z DVD czy CD (mniejsza prędkość i gęstość zapisu) tylko problem z taką "taśmą z landami".
Myśle że utrzymanie odległości też będzie problemem .
Z czasem zanieczyszczenia mogą dać popalić.


Kondensator chociaż dostanie wilgotniejsze powietrze, czy gorące to w całej objętości , przy szczelinie 0,1mm i ciągłym ruchu nie powinno się tam wiele zanieczyszczeń pojawić.
Odnośnie czystości w kondensatorze - może by zastosować okładziny zewnętrzne nieruchome ze stali i dołączyć małe magnesiki a przestrzeń typu "szczelina powietrzna" zastąpić cieczą ferromagnetyczną ??? .
Magnesiki powinny utrzymać ciecz w obrębie okładzin stalowych , od razu smarowanie i dość spasowane elementy kondensatora bez szczeliny powietrznej.
Zobaczę jak z przenikalnością cieczy , czy nie da popalić - może być jakiś nieliniowy charakter -a w nie daleko będzie silne źródło pola magnetycznego które może nieco mieć wpływ na pole bliższego pierścienia

AVE...

Jedną z okładzin będziesz musiał pokryć dielektrykiem, bo ciecz może nie stanowić izolacji. Lepiej by było zrobić to z elektromagnesem. Zresztą rysunek:

Szare to stal, kremowy to uzwojenia elektromagnesu: zewnętrzne i wewnętrzne, jedno z nich starczyć powinno; zielony to dielektryk, a błękit pruski to ciecz magnetyczna. Rysunek nie jest w proporcji co do średnic, ale oddaje to, co ma oddać...

Tak , jedna z okładzin musi być pokrywa dielektrykiem , to raczej zawsze musi być.
Zastanawiam się tylko czy ciecz ferromagnetyczna nie zachowa się jak okładzina - w sumie to żelazo+olej- a pole magnetyczne jakoś ułoży cząsteczki żelaza i coś w rodzaju okładziny się zrobi. To wymaga przemyślenia