Емкостной датчик принцип работы – Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Содержание

Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

  • Переменным расстоянием между пластинами.
  • Площадью перекрытия пластин.
  • Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Классификация

По исполнению датчики делятся на:

  • Одноемкостные.
  • Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

  • С изменяемой площадью электродов.
  • С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

  • Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
  • Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
  • Длительная эксплуатация.
  • Отсутствие подвижных контактов.
  • Повышенная чувствительность.
  • Малый расход электроэнергии.
  • Небольшие габаритные размеры и масса.
  • Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки
  • Работа на высокой частоте.
  • Повышенные требования к экранированию элементов.
  • Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию. Основными областями применения датчиков стали:

  • Подсчет штучного товара.
  • Регулировка натяжения конвейера.
  • Сигнализация обрыва проводника при намотке.
  • Контроль наполнения упаковки.
  • Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.
Похожие темы:

electrosam.ru

Ёмкостный датчик

Ёмкостный датчик,
измерительный преобразователь
неэлектрических величин (уровня жидкости,
механические усилия, давления, влажности
и др.) в значения электрической ёмкости.
Конструктивноемкостный
датчик
представляет собой
конденсатор электрический плоскопараллельный
или цилиндрический. Различаютемкостные
датчики
, действие которых основано
на изменении зазора между пластинами
или площади их взаимного перекрытия,
деформации диэлектрика, изменении его
положения, состава или диэлектрической
проницаемости. Наиболее частоемкостные
датчики
применяют для измерений
меняющихся давления или уровня, точных
измерений механических перемещений и
т. п.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Устройство емкостного датчика

Ёмкостный бесконтактный датчикфункционирует следующим образом:

1.
Генератор обеспечивает электрическое
поле взаимодействия с объектом.
2.
Демодулятор преобразует изменение
амплитуды высокочастотных колебаний
генератора в изменение постоянного
напряжения.
3. Триггер обеспечивает
необходимую крутизну фронта сигнала
переключения и значение гистерезиса.
4.
Усилитель увеличивает выходной сигнал
до необходимого значения.
5. Светодиодный
индикатор показывает состояние
выключателя, обеспечивает работоспособности,
оперативность настройки.
6. Компаунд
обеспечивает необходимую степень защиты
от проникновения твердых частиц и
воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж
выключателя, защищает от механических
воздействий. Выполняется из латуни или
полиамида, комплектуется метизными
изделиями.

Активная поверхностьемкостного бесконтактного датчикаобразована двумя металлическими
электродами, которые можно представить
как обкладки «развернутого»
конденсатора (см. рис.). Электроды включены
в цепь обратной связи высокочастотного
автогенератора, настроенного таким
образом, что при отсутствии объекта
вблизи активной поверхности он не
генерирует. При приближении к активной
поверхностиемкостного бесконтактного
датчика
объект попадает в
электрическое поле и изменяет емкость
обратной связи. Генератор начинает
вырабатывать колебания, амплитуда
которых возрастает по мере приближения
объекта. Амплитуда оценивается последующей
схемой обработки, формирующей выходной
сигнал.Емкостные бесконтактные
датчики
срабатывают как от
электропроводящих объектов, так и от
диэлектриков. При воздействии объектов
из электропроводящих материалов реальное
расстояние срабатывания Sr максимально,
а при воздействии объектов из
диэлектрических материалов расстояние
Sr уменьшается в зависимости от
диэлектрической проницаемости материала
er (см. график зависимости Sr от er и таблицу
диэлектрической проницаемости
материалов). При работе с объектами из
различных материалов, с разной
диэлектрической проницаемостью,
необходимо пользоваться графиком
зависимости Sr от er. Номинальное расстояние
срабатывания (Sn) и гарантированный
интервал воздействия (Sa), указанные в
технических характеристиках выключателей,
относятся к заземленному металлическому
объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение
для определении реального расстояния
срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1
Sn.Зависимость
реального расстояния срабатывания Sr
от диэлектрической проницаемости
материала объекта er
Диэлектрическая
проницаемость некоторых материалов:

Аммиак………………………………….16
Аралдит…………………………………3,6
Бакелит…………………………………3,6
Бензол…………………………………..2,3
Бумага…………………………………..2,3
Бумага
промасленная……………..4,0
Вода………………………………………80
Винипласт……………………………..4,0
Воздух……………………………………1,0
Гетинакс………………………………..4,5
Древесина…………………………….2-7
Компаунд
кабельный…………..2,5
Керосин…………………………………2,2
Мрамор………………………………….8,0
Масло
трансформаторное……2,2
Нефть…………………………………….2,2
Оргстекло………………………………3,2
Полиамид………………………………5,0
Парафин………………………………..2,2
Кварцевый
песок…………………..4,5
Кварцевое
стекло………………….3,7
Поливинилхлорид…………………2,9
Полипропилен………………………2,3
Полистирол…………………………..3,0
Полиэтилен…………………………..2,3
Резина
мягкая………………………2,5
Резина
силиконовая…………….2,8
Слюда……………………………………6,0
Скипидар………………………………2,2
Спирт
этиловый……………………25,8
Стеклотекстолит…………………..5,5
Стекло…………………………………..5,0
Тальк…………………………………….1,6
Текстолит………………………………7,5
Фторопласт
(Тефлон)…………..2,0
Фарфор………………………………….4,4
Целлулоид…………………………….3,0
Цемент………………………………….2,0
Эбонит…………………………………..4,0
Электрокартон……………………..4,0
Толуол…………………………………..2,4
Фанера………………………………….4,0

Особенности эксплуатации.При
применении емкостных выключателей
важнозащититьсяот ложных
срабатываний, которые могут быть
вызваны, например, атмосферными осадками
(налипание снега), технологическими
жидкостями и др. (случайное прикосновение
оператора к выключателю также вызовет
его срабатывание). Чтобы скомпенсировать
влияние осадков, пыли (при производстве
стройматериалов), защитных перегородок
т.п., введена регулировка чувствительности
выключателя встроенным. Разнообразие
объектов воздействия, вызывающих
срабатываниеемкостных датчики,
обуславливает широкий областей, в
которых они применяются. Наибольший
эффект достигается при использовании
в системах:
— контроля уровня наполнения
резервуаров, емкостей, контейнеров
сыпучими и жидкими материалами;

контроля уровня содержимого в упаковке,
в таре;
— сигнализации разрыва лент;

счета и позиционирования объектов
любого рода.

Контроль
уровня сыпучих вешеств емкостными
датчиками
Контроль
содержимого упаковки и счет тары
емкостными датчиками
Контроль
разрыва ленты емкостными
датчиками
Контроль
позиционирования объекта емкостными
датчиками

Возможно применение емкостных
датчиков
в пищевой и в химической
отраслях промышленности. При этом для
исключения непосредственного контакта
активной поверхности выключателя с
пищевыми продуктами или с химически
агрессивными средами, можно рекомендовать
использовать защитную диэлектрическую
перегородку, изготовленную из
соответствующих материалов. При
необходимости обнаружения веществ и
материалов, находящихся за металлической
стенкой, в ней следует выполнить окно,
закрытое диэлектрической перегородкой,
перед которой устанавливаютемкостный
выключатель
. Толщина перегородки
должна быть значительно меньше расстояния
воздействия выключателя, а диэлектрик
должен иметь малую диэлектрическую
проницаемость.

studfiles.net

Емкостной сенсорный датчик, электрическая схема, печатная плата

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй емкостной датчик должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с сенсорного датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачек в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настойки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремневой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настойки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.











ydoma.info

бесконтактные датчики, Устройство и принцип работы емкостного датчика

В основе принципа работы емкостного датчика лежит изменение емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле какого-либо материала.

Устройство емкостного датчика общего применения показано на рисунке ниже:

Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.

Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.

Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.

Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.

Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)

Индикатор — обычно светодиодный обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.

Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.

Принцип работы

При подаче напряжения питания, перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает электрическое поле. Данное поле так же считается зоной чувствительности емкостного датчика. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает.

 

 

 

 

При попадании какого-либо материала в поле конденсатора с большей диэлектрической проницаемостью, увеличивается емкость конденсатора. В генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика.

mega-k.com

Устройство и принцип работы датчиков уровня

 О чем эта статья

Перейти к выбору и покупке датчиков уровня

Датчики уровня — это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости. Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене. Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

По принципу действия датчики уровня могут быть:


  • Емкостными
  • Поплавковыми
  • Радарного типа
  • Ультразвуковыми
  • Гидростатическими

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах например в емкостных датчиках влажности.

Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 1), которая может свободно проникать в пространство между пластинами. Если известна диэлектрическая проницаемость жидкости, то можно составить следующее равенство:

С=С0l0*G0l*Gl       (1)

С – Общая ёмкость конденсатора
С0 – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость
Сl – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость
ε0 – Диэлектрическая проницаемость газовой среды
εl – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды
G0 – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость
Gl – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.




Рисунок 1. Общая схема емкостного датчика уровня

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам следует отнести значительную температурную зависимость (которая, впрочем, может быть скомпенсирована), а также необходимость погружения в жидкость.

Поплавковый датчик уровня

Датчики данного типа имеют достаточно простое устройство. Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и непрерывный сигнал, последние можно разделить на две категории – механические и магнитострикционные. В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также используется поплавок, в остальном же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых датчиков.

Дискретные поплавковые датчики уровня

В реализации датчика, выдающего дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных на различных уровнях резервуара. При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх. Это приводит в движение механическую систему или электромеханическую систему, и выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 2).




Рисунок 2. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки или нет. Также датчик уровня с дискретным выходным сигналом может служить элементом автономного регулятора в случае, например, когда необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 3). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит. Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода. Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом. По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.




Рисунок 3. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. К их недостаткам можно отнести их стоимость, техническую сложность и необходимость погружения в жидкость.

Радарный датчик уровня

Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону. Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара согласно схеме (Рисунок 4) и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки. Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту. По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.

Дальнейшая обработка полученного сигнала осуществляется в цифровом тракте, и на этом этапе возможна, например, нейтрализация шумовых сигналов, возникающих в результате волнений на поверхности жидкости или поглощения радиоизлучения.




Рисунок 4. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа

Данный метод на сегодняшний день является наиболее технологичным и совершенным, к числу достоинств датчика на его основе следует отнести:


  1. Отсутствие подвижных элементов
  2. Отсутствие контакта с жидкой средой
  3. Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях
  4. Высокая точность
  5. Возможность адаптировать алгоритм обработки данных для конкретных применений

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в    ультразвуковых расходомерах и  ультразвуковых дефектоскопах). Излучение генератора УВ проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник. Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.

Ультразвуковым датчикам уровня свойственны практически все достоинства датчиков радарного типа, однако УД обычно имеют более низкую точность, хотя и более просты по внутреннему устройству.

Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости (2) высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке
ρ – Плотность жидкости
g – Ускорение свободного падения
h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Опубликована 05-03-12.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

www.devicesearch.ru.com

1 Назначение принцип действия, конструкция емкостного датчика

Емкостные датчики
могут измерять различные физические
параметры, далее будем рассматривать
емкостные датчики перемещения.

По принципу действия
емкостные датчики перемещения могут
быть с изменяющимся зазором, с изменяющейся
площадью пластин, с изменяющейся
электрической проницаемостью(могут
использоваься для измерения вертикального
перемещения)

Основные обозначения:

Емкость
плоского конденсатора без учета краевого
эффекта оп­ределяется уравнением

С =
ε0εrA/d,

где
ε0
=8,8542*10-12
А-с/(В-м)—диэлектрическая постоянная;

εr
— относительная диэлектрическая
проницаемость среды, на­ходящейся
между пластинами конденсатора;

A
— площадь пла­стин;

d
— расстояние между
ними.

Далее
рассмотрим воды емкостных датчиков
более подробно.

1.2 Емкостные датчики с изменяющимся зазором

Рис.1
Рис.2

Рис.1
Плоский кон­денсатор с изменяющимся
зазором

Рис.1
Двффереициальный конденсатор; сред­няя
пластина может перемещаться в поперечном
на­правлении.

При
изменении зазора d между пластинами на
величину Δd
ёмкость конденсатора определяется
уравнением

Только
при малых относительных изменениях
зазора Δd/d
зависимость ΔС/С и Δd/d
практически линейна. При Δd/d=0.1
нелинейность составляет 10%, при Δd/d=0,01
нелинейность составляет 1%.. Для обеспечения
линейности в широком диапазоне при­меняют
дифференциальный конденсатор (рис. 1).
При пере­мещении средней пластины на
расстояние
Δd,
при соответствующей схеме включения
(мостовой схеме), изменение ёмкости
равно

Подобно
индуктивному чувствительному элементу
с попереч­ным перемещением якоря и
сдвоенными обмотками дифферен­циальный
принцип и в этом случае наряду с удвоением
чувстви­тельности обеспечивает
расширение линейного диапазона. При
Δd/d
== 0,1 нелинейность характеристики такого
конденсатора со­ставляет 1 %.

Характеристика
элементов

Входная
величина: перемещение.

Выходная
величина: изменение емкости.

Диапазон
измерения: до 1 мм. Погрешность от
нелинейности: 1-3%.

Частотный
диапазон: 0—105
Гц.

Преимущества:
малая величина необходимых для измерений
уси­лий; достаточная чувствительность
при высоких температурах.

Недостатки:
чувствительность нелинейна; очень
большое внутреннее сопротивление;
необходимость при­менения коротких
подводящих про­водов; чувствительность
к электри­ческим помехам.

1.3 Емкостные датчики с изменяющейся площадью пластин

В
уравнении емкости конденсатора величина
А представляет собой пло­щадь взаимного
перекрытия пла­стин. Смещением обеих
пластин от­носительно друг друга на
величину s
можно изменить площадь их пе­рекрытия,
причем для пластин пря­моугольной
формы зависимость А=bs
линейна (рис.3). Поскольку величина А
находится в числителе уравнения емкости
конденсатора С, то С линейно зависит от
s.
Использование пластин различной формы
позволяет получить квадратичные,
логарифмические
и т. п. зависимости. Конденсатор переменной
ёмкости, состоящий из круглых пово­ротных
пластин, применим для для измерения
угла поворота.

Рис.2.
Плоский конденсатор с изменяющимся
перекрытием пластин

Характеристика
элемента

Входная
величина: линейное и угловое перемещение.

Выходная
величина: изменение емкости.

Диапазон
измерения: несколько сантиметров;
угловое перемещение до 180е.

Погрешность
от нелинейности: крайне мала.

Частотный
диапазон: 0—104
Гц.

Преимущества:
линейность характеристики, безынерционность,
простота получения характеристик иных
видов.

Недостатки:
чувствительность к помехам; высокоомность;
необходимость точного механического
изготовления.

studfiles.net

3.5. Индуктивные датчики

Принцип действия
индуктивных датчиков основан на изменении
индуктивности L
или
взаимоиндуктивности обмотки с сердечником
вследствие изменения магнитного
сопротивления Rmмагнитной
цепи датчика, в которую входит сердечник.

Индуктивные датчики
относятся к классу параметрических.
Измеряемое перемещение на входе датчика
вызывает изменение параметров магнитной
и электрической цепей, что, в свою
очередь, вызывает изменение выходной
величины — электрического тока I
или напряжения U.

С помощью индуктивных
датчиков можно контролировать механические
перемещения, силы, температуру, свойства
магнитных материалов, определять наличие
дефектов, контролировать диаметр
стальной проволоки, толщину немагнитных
покрытий на стали и др.

Индуктивные датчики
отличает ряд достоинств: простота и
прочность конструкции, надежность в
работе, отсутствие скользящих контактов,
большая величина мощности на выходе
(до нескольких десятков ватт), высокая
чувствительность (до 100 В/мм).

Рисунок 3.7 Схема
(а) и характеристика (б) индуктивного
преобразователя:

1- сердечник; 2-
обмотка; 3- якорь.

К достоинствам
рассмотренных индуктивных трансформаторных
датчиков следует отнести:

  • достаточно высокую
    выходную мощность, позволяющую во
    многих случаях обойтись без усилительных
    устройств;

  • высокие
    чувствительность и разрешающую
    способность;

  • сравнительную
    простоту конструкции; высокую надежность;

  • малые массу и
    размеры при расчете на напряжение
    повышенной частоты;

  • невысокую стоимость.

Недостатками
рассмотренных измерительных
преобразователей являются:

  • трудность
    регулировки и компенсации начального
    напряжения на их выходе;

  • необходимость
    экранирования для уменьшения уровня
    помех, что обусловливает увеличение
    размеров и массы;

  • возможность работы
    только на переменном токе;

  • ограниченность
    диапазона линейной статической
    характеристики.

3.6. Емкостные датчики

Принцип
действия емкостных измерительных
преобразователей основан на изменении
емкости конденсатора под воздействием
входной преобразуемой величины. Емкость
конденсатора:

где ε — относительная
диэлектрическая проницаемость
диэлектрика;

ε0
— диэлектрическая проницаемость
вакуума;

S
— площадь
пластины;

δ — толщина
диэлектрика или расстояние между
пластинами.

Емкостные
преобразователи используют для измерения
угловых и линейных перемещений, линейных
размеров, уровня, усилий, влажности,
концентрации и др. Конструктивно они
могут быть выполнены с плоскопараллельными,
цилиндрическими, штыревыми электродами,
с диэлектриком между пластинами и без
него.

Емкостный
плоскопараллельный измерительный
преобразователь с изменяемой площадью
перекрытияS
(cм.
рис. 3.8, а)
описывается
уравнением преобразования:

где а
— ширина
пластин конденсатора;

X
— длина
перекрытия электродов.

а) б) в)

Рисунок 3.8 Схемы
емкостных датчиков с различными
измеряемыми параметрами.

Рисунок 3.9 Емкостной
датчик для измерения угловых велечин

Емкостные
преобразователи перемещения с переменной
площадью перекрытия (рис. 3.9) используют
и для измерения угловых величин. В этом
случае емкость измерительного
преобразователя:

(3.2)

а чувствительность:

(3.3)

где r2,
r1
— соответственно
наружный и внутренний радиусы пластин;

φ, φ0
— соответственно текущий (измеряемый)
и начальный углы перекрытия пластин.

Емкостный
плоскопараллельный преобразователь
перемещения с изменяющимся воздушным
зазором(см.
рис. 3.8, б) имеет
нелинейную характеристику. Изменение
его емкости описывается уравнением:

где δ0
— начальный зазор;

X
— перемещение
пластины.

В связи с нелинейностью
статической характеристики такие
датчики применяют для измерения
относительно малых перемещений, обычно
не более 0,1δ0.

Преобразователи
с изменяемой диэлектрической проницаемостью
среды ε
между электродами (см. рис. 3.8, в)
широко используют
для измерения уровня жидких и сыпучих
веществ, анализа состава и концентрации
веществ в химической, нефтеперерабатывающей
и других областях промышленности, для
счета изделий, охранной сигнализации
и т.п. Они имеют линейную статическую
характеристику.

Емкость измерительных
преобразователей в зависимости от
конструктивных особенностей колеблется
от десятых долей до нескольких тысяч
пикофарад, что приводит к необходимости
использовать для питания датчиков
напряжение повышенной частоты — от
1•103
до 108
Гц. Это один из существенных недостатков
подобных преобразователей.

К достоинствам
емкостных измерительных преобразователей
можно отнести простоту конструкции,
малые размеры и массу, высокую
чувствительность, большую разрешающую
способность при малом уровне входного
сигнала, отсутствие подвижных токосъемных
контактов, высокое быстродействие,
возможность получения необходимого
закона преобразования за счет выбора
соответствующих конструктивных
параметров, отсутствие влияния выходной
цепи на измерительную.

Недостатки емкостных
измерительных преобразователей состоят
в относительно низком уровне выходной
мощности сигналов, нестабильности
характеристик при изменении параметров
окружающей среды, влиянии паразитных
емкостей.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о