Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.
Как работает такой измеритель
По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.
Про конденсатор, его характеристики
Как известно, емкость конденсатора определяется формулой
С=Ɛ×Ɛ0×S/d
Где:
- Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
- Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
- d — зазор между обкладками;
- S — площадь обкладок.
В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.
Принцип работы емкостного измерителя
Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.
Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.
Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.
Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.
Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.
Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.
Какие бывают датчики
Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:
- одноемкостные;
- двухемкостные.
Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:
- плоскими;
- цилиндрическими;
- поворотными.
Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:
- измерителей уровня;
- приборов контроля углового перемещения;
- датчиков перемещения;
- инклинометров;
- датчиков давления.
Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.
Одноемкостные датчики
Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.
Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.
Двухемкостные датчики
Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.
Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.
Датчики уровня
Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.
Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).
Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.
Датчики линейного перемещения
Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:
- контроля начала-окончания рабочего хода исполнительного устройства в автоматических станках;
- позиционирования различных объектов;
- фиксации появления стороннего объекта в системе охраной сигнализации;
- как концевой выключатель.
Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.
- На основе изменения зазора между пластинами конденсатора.
В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию. - В представленном ниже варианте работа датчика основана на изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками.
В таком варианте воздействие приходится на одну из обкладок, она под приложенным усилием может смещаться, что вызывает изменение емкости конденсатора, пропорциональное воздействию.
Датчики углового перемещения
По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.
Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.
Инклинометр
Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.
Датчик давления
В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.
Емкостные датчики прикосновения
Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:
- на использовании собственной емкости;
- на использовании взаимной емкости.
Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.
Датчик на основе собственной емкости
Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.
Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.
Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.
Как изменить состояние кнопки
Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:
- из-за диэлектрической проницаемости человеческого тела;
- из-за собственной проводимости
Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью
Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.
Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.
Тело обладает собственной проводимостью
Это давно установленный факт.
И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.
Использование емкостных датчиков прикосновения
Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная электроника его обработает без каких либо проблем.
Датчики присутствия
Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.
Как это работает
Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.
На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.
При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.
Еще один способ обнаружения присутствия
В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.
В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.
При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.
При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.
Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.
Возможные сферы применения датчиков
Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:
- нефтегазовая промышленность;
- добыча и переработка металлов;
- горнодобывающая промышленность;
- сельское хозяйство, в том числе животноводство и растениеводство;
- деревообрабатывающая промышленность;
- производство напитков и продуктов питания;
- станкостроение и роботизированные комплексы;
- целлюлозно-бумажная промышленность;
- химическая промышленность и другие.
Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:
- указание положения жидкости, сыпучих веществ, в том числе продуктов, в трубе или хранилище, контроль их заполнения;
- сигнализация обрыва провода, ленты, иных подобных предметов при намотке;
- подсчет количества штучных изделий;
- контроль натяжения ленты;
- использование в охранных системах для обнаружения несанкционированного вторжения.
Преимущества емкостных датчиков
Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:
- малый вес, габариты, незначительное потребление электроэнергии;
- отсутствие контактов;
- длительный срок эксплуатации;
- возможность адаптировать датчики к использованию для решения различных задач;
- незначительные усилия для перемещения подвижных частей.
- простоту изготовления, а также применение для этих целей доступных, недорогих материалов;
Недостатки датчиков
Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:
- ошибки и погрешности, порой значительные, в процессе измерений;
- необходимость использования преобразователей и измерителей, работающих на высоких частотах;
- экранирование измерительных и высокочастотных цепей;
Заключение
Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.
Видео по теме
Хорошая реклама
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.
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.
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.
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:
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.
Электрическая емкость проводника характеризует его способность накапливать электрический заряд, приобретая при этом определенный потенциал. Но теоретические основы электротехники в этой статье мы рассматривать не будем.
Более того, количество любой теории будет сведено к минимуму, необходимому для общего понимания содержания.
Принцип работы емкостного датчика заключается в контроле изменения емкости его чувствительного элемента – конденсатора. В самом привычном значении конденсатор – это радиоэлектронный компонент, состоящий из двух электропроводящих обкладок, разделенных слоем диэлектрика.
Они могут иметь различную форму, что кстати, используется при создании емкостных датчиков различного назначения.
Давайте рассмотрим от чего зависит емкость на примере простейшего конденсатора, состоящий из двух обкладок в форме пластин (рис.1).
Это:
- площадь пластин;
- расстояние между ними;
- диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.
Кстати, в заряженном конденсаторе присутствует электрическое поле Е, мы вернемся к нему когда будем рассматривать как работает емкостной датчик.
ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ (ПРИБЛИЖЕНИЯ)
Итак, мы имеем классический плоский конденсатор (С). Давайте развернем его пластины, как показано на рисунке 2. Изменится конфигурация поля Е.
Если будет изменяться диэлектрическая проницаемость среды, через которую проходят линии этого поля (будем называть это зоной обнаружения), то будет изменяться емкость конденсатора.
То есть появление в этой зоне инородного предмета (или вещества) вызовет изменение емкости С. Электронная схема устройства это изменение отслеживает и формирует соответствующий сигнал.
На этом принципе основана работа емкостных датчиков положения. При появлении в зоне обнаружения любого предмета детектор срабатывает.
Дальность обнаружения, она, кстати, невелика – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, и размер контролируемого объекта определяются чувствительностью детектора. Эти параметры должны оговариваться в техническом описании (паспорте) на изделие.
Безусловным достоинством такого датчика является обнаружение объектов из любых материалов, а не только металлических, как у индуктивных.Емкостной принцип обнаружения какого либо события, помимо детекции положения используется достаточно широко.
Это:
Про последний тип устройств стоит написать несколько подробнее.
Дело в том, что в качестве одной обкладок конденсатора можно использовать металлический предмет, а в качестве другой – землю (а в частном случае пол помещения).
Таким образом при приближении к металлическому сейфу или шкафу, оборудованному емкостным охранным датчиком будет формироваться сигнал тревоги.Используются такие извещатели, правда, не часто. Дело в том, что любой датчик, использующий в своей работе емкостной принцип действия чувствителен к воздействию электромагнитных помех.
Это следует учитывать при принятии решения о применении таких устройств в условиях конкретного объекта.
ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ УРОВНЯ
Еще одна область применения детекторов такого принципа действия – определения уровня, причем как жидкостей, например, воды или топлива, так и сыпучих материалов (рис.3).
Чувствительный элемент в этом случае представляет:
- две протяженные пластины, расположенные параллельно;
- соосно расположенные цилиндры;
- стержни (штыри).
Поскольку контролируемая среда имеет диэлектрическую проницаемость иную чем у воздуха, то при погружении части детектора в контролируемое вещество соответствующим образом изменяется емкость чувствительного элемента.
При этом, можно реализовать не только пороговое управление исполнительными устройствами (включено- выключено), но и получать информацию о численных значениях, причем, с достаточно высокой степенью точности, чем не могут похвастаться некоторые другие типы датчиков уровня.
Как видно, подобные устройства достаточно универсальны и здесь перечислены еще не все их возможности.
Например, на описываемом принципе реализуются датчики крена. Измерение угла наклона достигается за счет перемещения между пластинами конденсатора жидкости. При изменении угла наклона меняется рабочая площадь обкладок, соответственно, емкость.
Используя вращающиеся вокруг общей оси пластины, изменяющие площадь перекрытия в зависимости от угла, получаем датчик поворота, а при желании, скорости вращения.
Таким образом, емкостные датчики, в части касающейся области применения достаточно универсальны, хотя используют непростую схемотехнику.
* * *
© 2014-2020 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.
Электрика » Электрооборудование » Датчики
Электронные датчики (измерители) – важная составляющая в автоматизации любых технологических процессов и в управлении различными машинами и механизмами.
С помощью электронных устройств можно получить полную информацию о параметрах контролируемого оборудования.
Принцип работы любого электронного датчика построен на преобразовании контролируемых показателей в сигнал, который передается для дальнейшей обработки управляющим устройством. Возможно измерение любых величин – температуры, давления, электрического напряжения и силы тока, силы света и других показателей.
Популярность электронных измерителей обуславливается рядом конструкционных особенностей, в частности возможно:
- передать измеряемые параметры на практически любое расстояние;
- преобразовать показатели в цифровой код для достижения высокой чувствительности и быстродействия;
- осуществлять передачу данных с максимально высокой скоростью.
По принципу действия электронные датчики разделяют на несколько категорий в зависимости от принципа действия. Одними из самых востребованных считаются:
- емкостные;
- индуктивные;
- оптические.
Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, которые определяют оптимальную сферу его применения. Принцип работы любого типа измерителя может различаться в зависимости от конструкции и используемого контролирующего оборудования.
ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ
Принцип работы электронного емкостного датчика построен на изменении емкости плоского или цилиндрического конденсатора в зависимости от перемещения одной из обкладок. Также учитывается такой показатель как диэлектрическая проницаемость среды между обкладок.
Одно из преимуществ подобных устройств – очень простая конструкция, которая позволяет достичь хороших показателей прочности и надежности.
Также измерители этого типа не подвержены искажениям показателей при перепадах температуры. Единственно условие для точных показателей – защита от пыли, влажности и коррозии.
Емкостные датчики широко используются в самых разнообразных отраслях. Простые в изготовлении приборы отличаются низкой себестоимостью производства, при этом обладают длительным сроком эксплуатации и высокой чувствительностью.
В зависимости от исполнения устройства делятся на одноемкостные и духъемкостные. Второй вариант более сложен в изготовлении, но отличается повышенной точностью измерений.
Область применения.
Наиболее часто емкостные датчики используют для измерения линейных и угловых перемещений, причем конструкция устройства может различаться в зависимости от метода измерения (меняется площадь электродов, либо зазор между ними). Для измерения угловых перемещений используют датчики с переменной площадью обкладок конденсатора.
Также емкостные преобразователи используют для измерения давления. Конструкция предусматривает наличие одного электрода с диафрагмой, которая под действием давления изгибается, меняя емкость конденсатора, что фиксируется измерительной схемой.
Таким образом, емкостные измерители могут использоваться в любых системах управления и регулирования. В энергетике, машиностроении, строительстве обычно используют датчики линейных и угловых перемещений. Емкостные преобразователи уровня наиболее эффективны при работе с сыпучими материалами и жидкостями, и часто используются в химической и пищевой промышленности.
Электронные емкостные датчики применяются для точного измерения влажности воздуха, толщины диэлектриков, различных деформаций, линейных и угловых ускорений, гарантируя точность показателей в самых разных условиях.
ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ
Бесконтактные индуктивные датчики работают по принципу изменения показателя индуктивности катушки с сердечником. Ключевая особенность измерителей данного типа – они реагируют только на изменение местоположения металлических предметов.
Металл оказывает непосредственное влияние на электромагнитное поле катушки, что приводит к срабатыванию датчика.
Таким образом, с помощью индуктивного датчика можно эффективно отслеживать положение металлических предметов в пространстве. Это позволяет использовать индуктивные измерители в любой отрасли промышленности, где требуется наблюдение за положением различных конструктивных элементов.
Одна из интересных особенностей датчика – электромагнитное поле изменяется по-разному, в зависимости от вида металла, это несколько расширяет сферу применения устройств.
Индуктивные датчики обладают рядом преимуществ, из которых отдельного внимания заслуживает отсутствие подвижных частей, что существенно повышает надежность и прочность конструкции. Также датчики можно подключать к промышленным источникам напряжения, а принцип работы измерителя гарантирует высокую чувствительность.
Индуктивные датчики изготавливают в нескольких форм-факторах, для максимально удобной установки и эксплуатации, например двойные измерители (две катушки в одном корпусе).
Область применения.
Сфера использования индуктивных измерителей – автоматизация в любой сфере промышленности. Простой пример – устройство можно использовать в качестве альтернативы концевому выключателю, при этом будет увеличена скорость срабатывания. Датчики выполняют в пылевлагозащитном корпусе для эксплуатации в самых сложных условиях.
Устройства можно использовать для измерения самых различных величин – для этого используют преобразователи измеряемого показателя в величину перемещения, которая и фиксируется устройством.
ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Бесконтактные электронные оптические датчики – один из самых востребованных типов измерителей в отраслях промышленности, где требуется эффективное позиционирование любых объектов с максимальной точностью.
Принцип работы данного типа измерителей построен на фиксации изменения светового потока, при прохождении через него объекта. Самая простая схема устройства это излучатель (светодиод) и фотоприемник, преобразующий световое излучение в электрический сигнал.
В современных оптических измерителях используется современная электронная система кодирования, позволяющая исключить влияние посторонних источников света (защита от ложных срабатываний).
Конструктивно, оптические измерители могут выполняться как в отдельных корпусах для излучателя и приемника, так и в одном, в зависимости от принципа работы устройства и области его применения. Корпус дополнительно обеспечивает защиту от пыли и влаги (для работы при низких температурах используют специальные термокожухи).
Оптические датчики классифицируются в зависимости от схемы работы. Самый распространенный тип – барьерный, состоящий из излучателя и приемника, расположенных строго напротив друг друга. Когда постоянный световой поток прерывается объектом, устройство подает соответствующий сигнал.
Второй востребованный тип – диффузный оптический измеритель, в котором излучатель и фотоприемник располагаются в одном корпусе. Принцип действия основан на отражение луча от объекта. Отраженный световой поток улавливается фотоприемником, после чего происходит срабатывание электроники.
Третий вариант – рефлекторный оптический датчик. Как и в диффузном измерителе, излучатель и приемник конструктивно выполнены в одном корпусе, но световой поток отражается от специального рефлектора.
Использование.
Оптические датчики широко применяются в системах автоматизированного управления и служат для обнаружения предметов и их пересчета. Относительно простая конструкция обуславливает надежность и высокую точность измерения.
Кодированный световой сигнал обеспечивает защиту от внешних факторов, а электроника позволяет определять не только наличие объектов, но и определять их свойства (габариты, прозрачность и т.д.).
Широкое распространение оптические устройства получили в охранных системах, где используются в качестве эффективных датчиков движения. Вне зависимости от типа, электронные датчики это лучший вариант для современных систем управления и автоматического оборудования.
Высокая точность и скорость измерения обеспечивают надлежащее функционирование оборудования с минимальными отклонениями. При этом большинство электронных измерителей бесконтактные, что в несколько раз повышает надежность устройств и гарантирует длительный срок эксплуатации даже в сложных производственных условиях.
© 2012-2020 г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Автор: Mark Howard, Zettlex UK Ltd
Ссылка на оригинал: technical articles/inductive vs. capacitive_rev4.0
Перевод на русский язык подготовлен компанией АВИ Солюшнс.
Введение
Некоторые индуктивные и ёмкостные датчики выглядят очень похоже и неудивительно что инженеры-разработчики бывают сбиты с толку их сходством. И те и другие являются бесконтактными датчиками положения и построены на основе печатных плат. Тем не менее, физические принципы, лежащие в основе каждого типа датчиков, достаточно различны. В конечном итоге на практике это означает, что эти типы датчиков подходят для различных приложений. Эта статья объясняет физические принципы каждой технологии и сравнивает соответственно сильные и слабые стороны каждого подхода.
Принцип работы – Ёмкостные датчики
Когда исследователя Эвальда Юргена фон Клейста ударило электрическим током от лабораторного прибора в 1745 году, он внезапно понял, что есть возможность сохранять электрический заряд в больших количествах. Возможно, ненамеренно он построил первый в мире конденсатор. Конденсатор действует как накопитель электрической энергии и, как правило, состоит из двух проводящих пластин, разделённых непроводящим материалом (диэлектриком). В качестве диэлектрика обычно выступает воздух, пластик или керамика. Простая математическая модель конденсатора приведена на рис. 1.
Рис. 1 Простая модель конденсатора (С)
Диэлектрическая проницаемость ε включает в себя две составляющие — εr и ε0, где εr – это относительная магнитная проницаемость (иногда называемая диэлектрической постоянной) материала между пластинами и ε0 – электрическая постоянная (ε0 ≈ 8.854×10−12 Ф/м).
Многие датчики работают по ёмкостному принципу, в особенности тактильные датчики таких устройств, как планшеты и мобильные телефоны. Эти ёмкостные датчики определяют отсутствие или присутствие пальца человека и работают как альтернатива кнопочному переключателю. Присутствие пальца человека – или скорее воды в нём – приводит к изменению относительной диэлектрической проницаемости вызывающей в свою очередь изменение ёмкости.
Другой тип ёмкостного датчика – это ёмкостной датчик перемещения, который работает путём измерения изменений ёмкости происходящих из-за изменения размеров конденсатора. Как можно видеть из математической формулы на рис. 1, ёмкость как при изменении расстояния между пластинами (d) так и при изменении площади перекрытия пластин (A). Перемещение может измеряться в осевом направлении (изменение d) или в плоскости пластин. Пластины конденсатора можно с успехом изготавливать с использованием печатных плат.
Другой тип ёмкостного датчика – это ёмкостной датчик перемещения. Принцип его работы основан на измерении величины емкости, которая изменяется при изменении размеров конденсатора. Как можно видеть из математической формулы на рис. 1, ёмкость прямо пропорциональна как расстоянию между пластинами (d), так и площади перекрытия пластин (A). Перемещение может измеряться в осевом направлении (изменение d) или в плоскости пластин. Пластины конденсатора можно с успехом изготавливать с использованием печатных плат.
Для того чтобы хранить сколько-нибудь значительный заряд, расстояние между пластинами d должно быть существенно меньше площади пластин. Величина d обычно гораздо меньше 1 мм. По этой причине такая технология хорошо подходит для измерения нагрузки и тензометрических датчиков, поскольку может давать сравнительно большие изменения сигнала при маленьком измеряемом расстоянии. Похожим образом, ёмкостные линейные или вращающиеся датчики могут быть сконструированы таким образом, что перемещение вызывает изменение площади перекрытия пластин A. Например, один комплект пластин расположен на подвижной части датчика, а другой комплект расположен на статичной части. Как только два этих комплекта смещаются относительно друг друга, площадь А изменяется.
К сожалению, кроме изменения размеров конденсатора, ёмкость также чувствительна и к другим факторам. Если пластины конденсатора окружены воздухом то диэлектрическая проницаемость будет изменяться из-за влияния температуры и влажности, поскольку диэлектрическая постоянная воды отличается от воздуха. Близко расположенный объект, который изменяет проницаемость окружающего пространства, тоже будет вызывать изменения ёмкости. В случае тактильного датчика, вода в пальцах вызывает местное изменение проницаемости и, соответственно, срабатывание датчика. Вот почему работа нереагирующего тактильного датчика может быть улучшена, если намочить конец пальца.
За исключением случаев, когда окружающая среда датчика может быть герметично замкнута или жёстко контролируема, ёмкостные датчики не подходят для применения в жёстких условиях окружающей среды, где есть возможность проникновения посторонних веществ или больших изменений температуры. Неудивительно, что ёмкостные датчики мало подходят для применения в условиях, где высока вероятность образования конденсата при снижении температуры.
При неизменном физическом устройстве датчика, расстояние между пластинами датчика должно поддерживаться малым относительно размеров пластин конденсатора и выдерживаться в достаточно узком допуске. Это может накладывать очень высокие требования по механической точности установки датчика в конечное изделие и может быть непрактично и неэкономично, поскольку различие тепловых расширений, вибраций или механических допусков конечного изделия могут привести к изменению расстояния между пластинами и, таким образом, к искажению измерений.
Более того ёмкостный эффект основан на хранении электрического заряда на пластинах конденсатора. Если конечное изделие, куда устанавливается датчик, может создавать электростатическое поле в процессе своего перемещения – от трения, скольжения или вращения деталей – это может искажать показания датчика. В экстремальных случаях датчик не будет работать совсем или, что хуже, электростатические возмущения будут приводить к правдоподобным, но неверным показаниям датчика. В некоторых случаях обязательно заземление компонентов конечного изделия для рассеивания заряда с пластин датчика. Часто это является необходимым в ёмкостных датчиках угла, поскольку вращение вала создаёт статический заряд из-за относительного перемещения подшипников, шестерён, шкивов и прочее.
Принцип работы – Индуктивные датчики
В 1831 Майкл Фарадей открыл, что протекание переменного тока по одному проводнику индуцирует протекание тока в противоположном направлении во втором проводнике. С тех пор магнитная индукция стала широко использоваться как физический принцип построения датчиков для измерения положения и скорости – резольверы (СКВТ), сельсины и дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений. Основы теории можно объяснить, рассматривая две катушки: передающую катушку (Tx), по которой протекает переменный ток, и приёмную катушку (Rx), в которой индуцируется ток.
Рисунок 2. Закон индукции Фарадея
Величина напряжения на приёмной обмотке пропорциональна относительным площадям, геометрии и смещению двух катушек. Однако, как и с ёмкостной технологией, на поведение катушек могут влиять и другие факторы. Одним из таких факторов является температура, но её влияние может быть нивелировано путём использования нескольких приёмных катушек и вычислении положения по отношению полученных сигналов (как в дифференциальном трансформаторе). Соответственно, даже в случае изменений температуры, её влияние на результат компенсируется, поскольку отношение сигналов является неизменным для любого положения.
В отличие от ёмкостных способов измерения, индуктивная технология гораздо менее подвержена влиянию посторонних частиц, таких как вода или грязь. Поскольку катушки могут находиться на относительно большом расстоянии друг от друга, точность установки составляет гораздо меньше проблем, и основные компоненты индуктивного датчика могут быть установлены с относительно свободными допусками. Это не только помогает снизить стоимость датчика и конечного изделия, но также позволяет использовать компоненты с защитным покрытием или заливкой, что позволяет датчикам противостоять таким внешним воздействующим факторам, как длительное погружение, сильные удары, вибрация или наличие взрывоопасной газовой или пылевой среды.
Индуктивные датчики обеспечивают надёжный, стабильный и устойчивый к внешним воздействиям подход к измерению положения и, таким образом, является предпочтительным выбором в приложениях, где жёсткие условия окружающей среды являются нормой, например, в военной технике, авиакосмической промышленности, промышленных установках и системах для нефтегазового сектора.
Несмотря на надёжность и устойчивость к внешним воздействиям, традиционные индуктивные датчики имеют ряд отрицательных сторон, которые препятствуют их более широкому распространению. В их конструкции есть проводники, намотанные на катушки, которые должны быть намотаны достаточно точно, чтобы обеспечить необходимую точность измерений положения. Для того, чтобы обеспечить наличие достаточно сильного электрического сигнала, необходимы обмотки с большим количеством витков. Такая конструкция с намотанной катушкой делает традиционный индуктивный датчик громоздким, тяжёлым и дорогим.
Инженеры, рассматривающие возможность применения индуктивных датчиков положения, часто задают вопрос о сложностях, связанных с электромагнитными шумами. В данном случае такая озабоченность является неуместной, если принять во внимание, что эти датчики, как резольверы, успешно используются много лет в жёсткой электромагнитной установке в корпусах электродвигателей для коммутации и управления скоростью. Что касается температурной стабильности, то устойчивость к жёстким условиям может быть достигнута при использовании дифференциального подхода, так, что электромагнитная энергия, поступающая в различные части системы, эффективно компенсирует друг друга. Вот почему индуктивные датчики, такие как резольверы и дифференциальные линейные трансформаторы, являются предпочтительным выбором в ответственных применениях, например, в гражданской авиации в течение многих лет.
Другой подход к индуктивным датчикам
Другой подход к индуктивным датчикам использует тот же физический принцип, но в нём применяются плоские конструкции на основе печатных плат вместо намотанных катушек. Именно этот подход и применяется Zettlex. Это означает, что обмотки могут быть изготовлены путём травления меди или при помощи нанесения на самые различные материалы подложки: полиэстерную плёнку, бумагу, эпоксидный слоистый пластик и даже на керамику. Такие печатные конструкции можно изготовить более точно, чем намотанные катушки. Вследствие чего достигается более высокая точность измерения при меньших затратах, размерах и массе, сохраняя в то же время все положительные свойства индуктивной технологии.
Рисунок 3. Пример грязного, но полностью работоспособного индуктивного датчика с плоской печатной обмоткой.
Датчики серии IncOders компании Zettlex – это бесконтактные устройства для прецизионного измерения угла. Датчик IncOder состоит из двух частей: статор и ротор, каждая из которых имеет форму плоского кольца. Большое центральное отверстие позволяет легко пропускать валы, оптические волокна, трубы и кабели, размещать токосъёмники. Индуктивные угловые энкодеры серии IncOder не требуют точной механической установки, скорее можно сказать, что ротор и статор должны быть просто привинчены в конечное изделие. Угловые энкодеры Zettlex не восприимчивы к посторонним веществам, что делает их идеально подходящими к жёстким условиям окружающей среды, где ёмкостные устройства работают ненадёжно.
Заключение
Преимущества каждого из трёх подходов сведены вместе в таблице ниже. Можно сделать вывод, что из трёх приведённых подходов, нетрадиционный индуктивный подход, использующий печатные обмотки, обеспечивает наибольшее количество преимуществ.
|
Ёмкостные |
(Традиционные катушки) |
Индуктивные |
|
| Высокое разрешение |
✓ |
✓ |
✓ |
|
Высокая повторяемость |
✓ |
✓ |
✓ |
| Высокая точность |
✓ |
✓ |
✓ |
|
Устойчивость к грязи, воде или конденсату |
✓ |
✓ |
|
|
Устойчивость к электростатике |
✓ |
✓ |
|
|
Устойчивость к электромагнитным помехам |
✓ |
✓ |
✓ |
|
Низкий температурный дрейф |
✓ |
||
|
Простота установки |
? |
✓ |
|
|
Компактный |
✓ |
✓ |
|
|
Лёгкий |
✓ |
✓ |
|
|
Экономичный |
? |
✓ |
Рисунок 4. Таблица сравнительных преимуществ каждой технологии
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=С0+Сl=ε0*G0+εl*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:
- Отсутствие подвижных элементов
- Отсутствие контакта с жидкой средой
- Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях
- Высокая точность
- 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
Что такое емкостный датчик?
Емкостные бесконтактные датчики — это бесконтактные устройства, которые могут обнаруживать присутствие или отсутствие практически любого объекта независимо от материала. Они используют электрические свойства емкости и изменения емкости на основе изменения электрического поля вокруг активной поверхности датчика.
Технология емкостного зондирования часто используется в других технологиях зондирования, таких как:
- поток
- давление
- уровень жидкости
- расстояние
- толщина
- Обнаружение льда
- угол вала или линейное положение
- диммер
- клавишных выключателей
- X-Y Tablet
- акселерометры
Принцип действия
Емкостный датчик действует как простой конденсатор.Металлическая пластина на чувствительной поверхности датчика электрически соединена с внутренней схемой генератора, и измеряемая цель действует как вторая пластина конденсатора. В отличие от индуктивного датчика, который создает электромагнитное поле, емкостный датчик создает электростатическое поле.
Внешняя емкость между мишенью и внутренней сенсорной пластиной является частью емкости обратной связи в цепи генератора. Когда цель приближается, датчики сталкиваются с колебаниями, увеличивающимися, пока они не достигнут порогового уровня и не активируют выход.
Емкостные датчики имеют возможность регулировать чувствительность или пороговый уровень генератора. Регулировка чувствительности может быть выполнена путем регулировки потенциометра с помощью встроенной обучающей кнопки или дистанционно с помощью обучающего провода. Если у датчика нет способа регулировки, то датчик должен физически перемещаться для правильного определения цели. Увеличение чувствительности приводит к увеличению рабочего расстояния до цели. Значительное увеличение чувствительности может привести к тому, что на датчик будут влиять температура, влажность и грязь.
Существуют две категории мишеней, которые емкостные датчики могут обнаружить, первая из которых является проводящей, а вторая — непроводящей. Проводящие цели включают металл, воду, кровь, кислоты, основания и соленую воду. Эти мишени имеют большую емкость, и диэлектрическая прочность мишени не имеет значения. В отличие от индуктивного датчика приближения, коэффициенты восстановления для различных металлов не являются фактором, определяющим расстояние между датчиками.
Непроводящая целевая категория действует как изолятор для электрода датчика.Целевая диэлектрическая проницаемость, также иногда называемая диэлектрической проницаемостью, является мерой изоляционных свойств, используемых для определения коэффициента уменьшения расстояния считывания. Твердые частицы и жидкости имеют диэлектрическую проницаемость, превышающую вакуум (1.00000) или воздух (1.00059). Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью будут иметь большее расстояние восприятия. Поэтому материалы с высоким содержанием воды, например дерево, зерно, грязь и бумага, будут влиять на расстояние восприятия.
При работе с непроводящими целями существует три фактора, которые определяют расстояние восприятия.
- Размер активной поверхности датчика — чем больше чувствительная поверхность, тем больше дистанция измерения
- Емкостные свойства материала целевого объекта, также называемые диэлектрической проницаемостью — чем выше постоянная, тем больше расстояние считывания
- Площадь поверхности исследуемого объекта — чем больше площадь поверхности, тем больше расстояние обнаружения
Другие факторы, которые оказывают минимальное влияние на расстояние обнаружения
- Температура
- Скорость целевого объекта
Диапазон чувствительности
Максимальное опубликованное расстояние восприятия емкостного датчика основано на стандартной цели, которая представляет собой заземленную квадратную металлическую пластину (Fe 360) толщиной 1 мм.Стандартная цель должна иметь длину стороны, равную диаметру зарегистрированного круга чувствительной поверхности, или в три раза превышать номинальное расстояние восприятия, если расстояние восприятия больше диаметра. Обнаруживаемые объекты, которые не являются металлическими, будут иметь коэффициент уменьшения, основанный на диэлектрической проницаемости материала этого объекта. Этот коэффициент уменьшения должен быть измерен, чтобы определить фактическое расстояние восприятия, однако есть некоторые таблицы, которые обеспечивают приблизительный коэффициент уменьшения.
Номинальное или номинальное расстояние срабатывания S n составляет , теоретическое значение, которое не учитывает производственные допуски, рабочие температуры и напряжения питания. Обычно это расстояние восприятия, указанное в различных каталогах производителей и маркетинговых материалах.
Эффективное расстояние срабатывания S r — это расстояние срабатывания датчика, измеренное при определенных условиях, таких как скрытый монтаж, номинальное рабочее напряжение U e , температура T a = 23 ° C +/- 5 ° C.Эффективный диапазон чувствительности емкостных датчиков может регулироваться потенциометром, обучающей кнопкой или дистанционным обучающим проводом.
Гистерезис
Гистерезис — это разница в расстоянии между включением, когда цель приближается к чувствительной грани, и точкой выключения, когда цель удаляется от чувствительной грани. Гистерезис сконструирован в датчиках для предотвращения вибрации выходного сигнала, если цель была расположена в точке переключения.
Гистерезис указывается в% от номинального расстояния считывания.Например, датчик с номинальным расстоянием 20 мм может иметь максимальный гистерезис 15% или 3 мм. Гистерезис является независимым параметром, который не является постоянным и будет изменяться от датчика к датчику. Существует несколько факторов, которые могут влиять на гистерезис, в том числе:
- Температура датчика и температура окружающей среды, генерируемая датчиком, на который подается питание
- Атмосферное давление
- Относительная влажность
- Механические нагрузки на корпус датчика
- Электронные компоненты, используемые на печатной плате внутри датчика
- Соотносится с чувствительностью — более высокая чувствительность связана с более высоким номинальным расстоянием восприятия и большим гистерезисом
Как определить чувствительность емкостного датчика
Емкостные датчики имеют потенциометр или какой-либо метод для установки чувствительности датчика для конкретного применения.В случае потенциометра количество оборотов не дает точного индикатора настройки датчиков по нескольким важным причинам. Во-первых, большинство потенциометров не имеют жестких упоров, вместо этого они имеют сцепления, чтобы горшок не был поврежден при настройке на полную минимальную или максимальную настройку. Во-вторых, горшки не имеют последовательной линейности.
Для определения чувствительности емкостного датчика расстояние срабатывания измеряется с помощью заземленной металлической пластины с микрометром.Пластина заземлена на минус источника питания, и цель перемещается в осевом направлении к поверхности датчиков. Переместите цель за пределы чувствительности, а затем переместите ее к поверхности датчика. Прекратите продвижение цели, как только активируется выход. Это расстояние — расстояние чувствительности датчика. Перемещение цели в сторону и отметка, когда выходной сигнал отключается, обеспечит гистерезис датчика.
Чтобы узнать больше о технологии емкостных датчиков, посетите www.balluff.com.
Как это:
Нравится Загрузка …
Джек Моермонд
Джек Моермонд имеет более чем 41-летний опыт работы в сфере производства и автоматизации. В его обязанности входил инженер по контролю, системный специалист, менеджер системного отдела и менеджер по продукту. Его опыт работы с продуктами охватывает датчики, ПЛК и приводы, сталелитейную и бумажную промышленности, упаковку, производство продуктов питания и напитков, производство полуфабрикатов и наук о жизни. В дополнение к его роли в различных поставщиках автоматизации, Джек преподавал программирование ПЛК и различные другие учебные классы по устройствам автоматизации.
Принцип измерения
Принцип емкостного измерения основан на методе работы конденсатора.
Конденсатор состоит из двух по-разному заряженных электродов, изолированных друг от друга. Приложение переменного тока между электродами создаст электрическое поле. Это электрическое поле зависит от расстояния между электродами, размера поверхности электродов и изолирующей среды между электродами.
Если расстояние между электродами и размер поверхности электродов остаются постоянными, только электрическая емкость будет влиять только на среду. При изменении среды электрическое поле также изменяется, следовательно, емкость изменяется следующим образом:
- Емкость (C) = Диэлектрическая постоянная (Ɛ0) × Относительная диэлектрическая проницаемость (DC) × Площадь поверхности электрода, где диэлектрическая проницаемость (Ɛ0) является электрической постоянная поля (Ɛ0 = 8,8 × 10 ‐12 C / (Вм).
Рисунок — Принцип измерения емкости
Носители с низкой диэлектрической проницаемостью (значение постоянного тока) вызывают очень небольшие изменения значения емкости при измерении уровня, в то время как носители с высоким значением постоянного тока вызывают соответственно большие изменения емкости. Во многих интерфейсных приложениях носитель с более низким значением постоянного тока находится сверху, т.е. грамм. углеводород (DC = 2) на воде (DC = 80).
Верхняя среда обеспечивает только минимальный вклад в общее значение емкости — таким образом, в качестве уровня указывается только уровень воды (интерфейсный слой).
Чтобы использовать этот эффект, значение постоянного тока двух носителей должно быть достаточно отличным друг от друга.
Обычно среда с низким значением постоянного тока является непроводящей, а среда с высоким значением постоянного тока является проводящей. Поэтому всегда возможно измерение сопряжения с непроводящей и проводящей средой.
Ограничения
Рисунок — Рабочий диапазон емкости
Если процесс покрывает или загрязняет емкостный зонд, может потребоваться опция компенсации, чтобы предотвратить ложные показания высокого уровня.
Емкостные датчики непрерывного уровня требуют, чтобы измеряемая жидкость оставалась на постоянном диэлектрическом значении. Если это не так, передатчик должен иметь возможность компенсировать изменение жидкого диэлектрика.
Зонды, установленные непосредственно в сосуде, как правило, не могут быть заменены в процессе эксплуатации, если они не установлены в клетке датчика с запорными клапанами.
Для стержневых щупов требуется достаточный зазор по высоте, в зависимости от длины зонда.
Он не может измерять жидкости, которые имеют вязкость выше 2000 сСт.
Выбор
Емкостное измерение уровня может использоваться в агрессивных средах, когда используется зонд с полным покрытием (например, PTFE).
Емкостное измерение имеет очень быстрое время отклика, что делает его идеальным для процессов с быстрыми изменениями уровня и небольших контейнеров.
Принцип измерения не зависит от изменения плотности среды.
Для измерений на интерфейсах требуется проводящая и непроводящая среда.
На этом интерфейсе разница между проводимостью проводящих сред должна быть больше 100 мкСм / см, а проводимость непроводящих сред должна быть ниже 1 мкСм / см.
Масляно-водная эмульсия имеет весь диапазон проводимости от 1 до 100 мкСм / см, в зависимости от распределения водонефтяных пузырьков. Это означает, что емкостный зонд будет обнаруживать среду выше 100 мкСм / см (то есть проводящую среду) и не будет обнаруживать эмульсионный слой (от 1 до 100 мкСм / см), а также непроводящий слой носителя (т.е.е. <1 мкСм / см).
Непроводящее накопление на датчике влияет на измерение.
Конструкция
Щупы должны быть изготовлены из металлического проводящего электрода с полной пластиковой изоляцией независимо от проводимости среды.
При установке должно быть обеспечено хорошее электропроводящее соединение между технологическим соединением и резервуаром. Может быть использована электропроводящая уплотнительная лента.
Штыревые зонды с заземляющей трубкой следует использовать в случае серьезных боковых нагрузок.
Длина зонда должна быть рассчитана в соответствии с диапазоном измерения уровня.
Установка
Рисунок — Установка датчика уровня емкости
Следует оценить метод заземления (заземления) сосуда, который может иметь решающее значение для работы устройства.
Калибровка и конфигурирование
Емкостные датчики откалиброваны на заводе-изготовителе для сред с проводимостью ≥100 мкСм / см (например, для всех жидкостей на водной основе, кислот, щелочей…).
Калибровка на месте необходима только в том случае, если значение 0% или значение 100% необходимо отрегулировать в соответствии с конкретными требованиями к измерениям (например, расстояние между резервуаром / емкостью <250 мм, проводимость <100 мкСм / см или определенный диапазон).
Обычно проводится различие между двумя типами калибровки:
- Влажная калибровка: Датчик может быть откалиброван по его полному диапазону, то есть более низкому уровню (калибровка уровня 0%) и высокому уровню (уровень 100%). Другие промежуточные значения также могут быть выполнены.
- Сухая калибровка: Емкость уровня можно смоделировать, введя значения низкого и высокого уровня. Емкостные единицы измерения будут автоматически рассчитывать изображение изменения емкости на основе заводской калибровки для проводимости ≥100 мкСм / см.
Рисунок — калибровка датчика уровня емкости
Источник: Международная ассоциация производителей нефти и газа
Благодарности: Подкомитет IOGP по контрольно-измерительным приборам и автоматическим стандартам (IASSC), BG Group, BP, Endress + Hauser, Emerson, Honeywell, Krohne, Petrobras, PETRONAS Carigali Sdn Bhd, Repsol, Siemens, Statoil, Total, Vega, Yokogawa.
Измерение уровня емкости:
Датчик емкостного уровня является примером косвенного измерения уровня
Датчики уровня емкости используются для широкого спектра твердых веществ, водных и органических жидкостей, и жидкие растворы. Этот метод часто называют RF как радиочастотные сигналы, подаваемые на емкостную цепь. Датчики могут быть сконструированы так, чтобы воспринимать материал с диэлектрическими постоянными, равными всего 1.1 (кокс и летучая зола) и выше 88 (вода) или более. Также могут быть обнаружены шламы и взвеси, такие как обезвоженный осадок и сточные воды (диэлектрическая проницаемость около 50) и жидкие химические вещества, такие как негашеная известь (диэлектрическая проницаемость около 90). Датчики уровня емкости с двумя датчиками также можно использовать для определения границы раздела между двумя несмешивающимися жидкостями с существенно различными диэлектрическими постоянными.
Поскольку датчики уровня емкости являются электронными устройствами, фазовая модуляция и использование более высоких частот делают датчик пригодным для применений, в которых диэлектрические постоянные похожи.
Принцип работы :
Принцип измерения емкостного уровня основан на изменении емкости. Изолированный электрод действует как одна пластина конденсатора, а стенка резервуара (или электрод сравнения в неметаллическом сосуде) действует как другая пластина. Емкость зависит от уровня жидкости. Пустой резервуар имеет меньшую емкость, в то время как заполненный резервуар имеет более высокую емкость.
Простой конденсатор состоит из двух электродных пластин, разделенных небольшой толщиной изолятора, такого как твердое тело, жидкость, газ или вакуум.Этот изолятор также называется диэлектриком.
Значение C зависит от используемого диэлектрика, площади пластины, а также расстояния между пластинами.
Где:
C = емкость в пикофарадах (пФ)
E = постоянная, известная как абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства
K = относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала
A = эффективная площадь из проводников
d = расстояние между проводниками
Это изменение в емкости может быть измерено с помощью моста переменного тока.
Измерение:
Измерение производится путем подачи радиочастотного сигнала между проводящим зондом и стенкой сосуда.
РЧ-сигнал приводит к очень малому току, протекающему через диэлектрический технологический материал в резервуаре от зонда к стенке сосуда. Когда уровень в резервуаре падает, диэлектрическая проницаемость падает, вызывая снижение показаний емкости и незначительное падение тока.
Это изменение обнаруживается внутренней схемой переключателя уровня и преобразуется в изменение состояния реле переключателя уровня в случае обнаружения точечного уровня.
В случае датчиков непрерывного уровня выходной сигнал представляет собой не состояние реле, а масштабированный аналоговый сигнал.
Измерение уровняможно разделить на три категории:
- Измерение непроводящего материала
- Измерение проводящего материала
- Бесконтактное измерение
Непроводящий материал:
Для измерения уровня непроводящего жидкости, устройство с открытым датчиком используется, поскольку сопротивление жидкости достаточно высоко, чтобы сделать его диэлектрическим.Поскольку электрод и резервуар зафиксированы на месте, расстояние (d) является постоянным, емкость прямо пропорциональна уровню материала, действующего как диэлектрик.
Проводящий материал:
В проводящих жидкостях пластины зондов изолируются с помощью тонкого покрытия из стекла или пластика во избежание короткого замыкания. Проводящий материал действует как заземляющая пластина конденсатора.
Измерения приближения (бесконтактные измерения):
При измерении уровня приближения площадь емкостных пластин фиксирована, но расстояние между пластинами различается.
Измерение уровня приближения не дает линейного выхода и используется, когда уровень изменяется на несколько дюймов.
Преимущества емкостного измерения уровня:
- Относительно недорогой
- Универсальный
- Надежный
- Требует минимального обслуживания
- Не содержит движущихся частей
- Прост в установке и легко адаптируется для сосудов различного размера
- Хорошо диапазон измерения от нескольких см до 100 м
- Прочный
- Простой в использовании
- Легкий в уходе
- Может быть разработан для применения при высоких температурах и давлениях.
Области применения:
Емкостные датчики используются для измерения уровня
- Жидкости
- Твердые и гранулированные твердые частицы
- Жидкие металлы при очень высокой температуре
- Сжиженные газы при очень низкой температуре
- Коррозионные материалы как плавиковая кислота
- Промышленные процессы под очень высоким давлением.
Недостатки:
Материалы легкой плотности до 20 фунтов / фут3 и материалы с размерами частиц более 1/2 дюйма.в диаметре может быть проблема из-за их очень низких диэлектрических постоянных (вызванных большим количеством воздушного пространства между частицами).
Емкостный датчики его преобразователь и его применение
Что такое емкостный датчик и его применение
Что такое конденсатор?
Конденсатор — это электрический компонент, используемый для накопления энергии и, следовательно, используемый при проектировании схем. Они хранят электроны. Конденсаторы также называются конденсаторами. Это может быть найдено в различном диапазоне значений. Конденсатор имеет две клеммы и действует как пассивный элемент.
Конденсатор имеет две пластины из проводника с диэлектрической средой, размещенной между пластинами.Один конец клеммы конденсатора хранит положительную энергию, а другой вывод — отрицательную энергию. Конденсатор начинает заряжаться, когда к нему добавляется электрическая энергия, и разряжается, когда энергия перестает поступать на конденсатор. Таким образом, это означает, что когда конденсатор накапливает ток, он заряжается, и конденсатор начинает разряжаться, когда ток разряжается. Электрический ток, накопленный в конденсаторе, выражается в единицах Фарада.
Конденсатор Модель
Конструкция конденсатора
Емкостные преобразователи:
Емкостный преобразователь используется для измерения смещения, давления и многих других физических величин.Он действует как пассивный преобразователь, поэтому ему не требуется внешний источник питания. Как обсуждалось выше, емкостный преобразователь имеет две параллельные пластины с диэлектрической средой между пластинами. Диэлектрической средой может быть воздух, газ или жидкость. Электрический заряд конденсатора используется для преобразования механического смещения в электрический сигнал.
Принцип действия:
На одной из пластин не будет заряда, когда конденсатор заряжается.Это приводит к нулевой напряженности электрического поля между двумя пластинами.
Q = CV
Где C — константа пропорциональности, известная как емкость конденсатора. Значение C зависит от размера пластины и диэлектрического материала, размещенного между пластинами. Это зависит от площади поверхности пластины, расстояния между двумя пластинами и диэлектрической проницаемости материала. Значение емкости в емкостных преобразователях является переменным. Емкостный преобразователь в основном используется для измерения линейного смещения.Емкостный преобразователь использует следующие три эффекта.
- Изменение емкости преобразователя из-за изменения площади пластин конденсатора. → A
- Изменение емкости происходит из-за изменения расстояний между пластинами → d
- Емкость изменяется из-за диэлектрической проницаемости. → ε
Емкость — это отношение количества энергии, накопленной на одной из пластин, к уровню напряжения на конденсаторе.Емкость прямо пропорциональна области пластины и обратно пропорциональна их диапазону.
ε является константой пропорциональности и называется диэлектрической проницаемостью материала, который разделяет пластины конденсатора.
При использовании изоляционного материала емкость равна 
, где
- ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8,85 x 10 -12 Ф / м)
- εr — диэлектрическая проницаемость изолирующей среды (εr = 1 для воздуха)
- A — площадь пластины ( м 2 )
- d — это расстояние между двумя пластинами (м)
Похожие сообщения: Типы резистивных датчиков — преобразователь, потенциометр и тензометрический датчик
Измерение смещения с помощью емкостного датчика
Можно использовать следующие методы используется для измерения смещения с использованием емкостного преобразователя
A преобразователя с использованием изменения площади пластин
Следующее уравнение де показывает, что емкость прямо пропорциональна области пластины.Емкость смещается в положение пластин соответственно. Емкостные преобразователи используются для измерения от 1 мм до нескольких см большого смещения. Емкость и смещение области емкостного преобразователя смещаются линейно. Первоначально из-за ребер в схеме возникает нелинейность. В противном случае будет дан линейный ответ.
Емкость параллельных пластин задается как 
- Где x — длина пластин конденсатора
- Вт = ширина пластин
Чувствительность смещения постоянна, и поэтому она дает линейную зависимость между емкость и смещение.
Емкостный преобразователь, используемый для измерения углового смещения
Когда пластины полностью перекрываются друг с другом, емкость будет максимальной. 180 градусов — максимальное смещение, которое может произвести конденсатор. Угловое движение изменяет емкость преобразователей. Максимальное значение емкости выражается как 
Емкость под углом θ выражается как, 
- θ — угловое смещение в радианах
Преобразователь, использующий изменение расстояния между пластинами
Емкость преобразователя обратно пропорциональна диапазону пластины.Одна пластина датчика зафиксирована, а другая пластина подвижна. Измеряемое смещение связано с подвижными пластинами. Емкость обратно пропорциональна расстоянию из-за нелинейного отклика, показываемого конденсатором. Этот тип преобразователя используется для измерения крошечного смещения
Емкость дана как, 
Применения для емкостных датчиков
Емкостный датчик влажности
Датчик влажности (или гигрометр), измерения, записи и измерения температура влажности и воздуха.Отношение влажности в воздухе при определенной температуре воздуха к наибольшему количеству влажности называется относительной влажностью. При поиске удобства относительная влажность становится значительной переменной. Поместив тонкую полоску оксида металла между двумя электродами, емкостный датчик влажности измеряет относительную влажность. Датчики емкостного типа являются линейными и способны измерять относительную влажность от 0 до 100%.
Поскольку влага в атмосфере меняет свою диэлектрическую проницаемость, из емкостного конденсатора может быть изготовлен простой емкостный датчик относительной влажности.Однако воздух как диэлектрик не пригоден для практического применения. Следовательно, пространство между пластинами конденсатора, как правило, заполнено подходящим диэлектрическим материалом (изолятором), диэлектрическая проницаемость которого отличается при изменении влажности. Использование гигроскопической полимерной пленки в качестве диэлектрика и нанесение двух слоев электродов с обеих сторон является распространенным подходом к созданию емкостного датчика относительной влажности. 
Емкостные датчики смещения
Емкостные датчики смещения используются в качестве эталонной системы для других датчиков дальности для измерения дальности при низкой температуре.Другие типичные области применения включают испытания на допуск для массового производства, измерение вибрации, измерение деформации, измерение толщины и контроль толщины тонкой металлической фольги, измерение толщины пластиковой фольги во время производства, изгиб пластин при изготовлении полупроводников и многое другое.
Измерительный тормозной диск
Тормозные диски автомобиля подвергаются очень большим кратковременным нагрузкам . Механическое истирание и чрезмерное нагревание тормозного диска оказывают значительное влияние на микроструктуру тормозного диска.Используемый материал должен выдерживать эти заряды как можно дольше, не изменяя его микроструктуру. При повторной загрузке мелкие трещины приводят к поломке и опасности для автомобиля. Емкостные датчики используются для измерения деформации тормозного диска. Очень немногие датчики подходят для работы вблизи объекта измерения из-за повышенной температуры. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона нанометров и оценивают износ тормозов.
Емкостные преобразователи — динамические измерения на турбинах или двигателях
Центробежные силы, действующие на лопасти турбины в турбинах, ведут в расширяемые лопасти.Важно, чтобы при проектировании и конструировании турбинных лопаток не возникало дисбаланса, который нарушал бы баланс в системе. Емкостные преобразователи обнаруживают изменения диапазона манометра и предоставляют важную информацию для оценки FEM.
Измерение толщины
Распространенным применением емкостных детекторов является бесконтактное измерение толщины материала. Двухканальная дифференциальная система является наиболее полезным приложением, в котором для каждой стороны измеряемого элемента используется отдельный датчик.Емкостная сенсорная технология используется для измерения толщины в следующих областях: толщина кремниевой пластины, толщина тормозного ротора и толщина диска привода
Испытание сборки
Емкостные датчики намного более чувствительны к драйверам, чем непроводящие. Таким образом, они могут использоваться в готовых сборках для выявления наличия / отсутствия металлических сборочных узлов. Примером является установкой разъема, который требует внутреннего металлического стопорного кольца, которое невозможно увидеть в окончательной сборке.Емкостное считывание в режиме онлайн может обнаружить неисправную часть и подать сигнал от линии к системе.
Похожие сообщения: PIR — схема инфракрасного детектора движения, работа и применение
Преимущества и недостатки емкостных датчиков
Преимущества емкостных датчиков
- Для работы требуется внешняя сила, и поэтому она очень полезна для крошечных устройств.
- Датчик емкостный очень деликатный.
- Обеспечивает хорошую частотную реакцию для динамических исследований.
- Преобразователь имеет высокий входной импеданс и, следовательно, имеет незначительный эффект нагрузки.
- Требуется минимальная выходная мощность
Недостатки емкостных датчиков
- Металлические компоненты преобразователя имеют изоляцию.
- Корпус конденсатора необходимо заземлить, чтобы уменьшить влияние паразитного магнитного поля.
- Преобразователь иногда показывает нелинейное поведение из-за краевого эффекта, регулируемого с помощью защитного кольца.
- Ошибка вызвана соединением кабеля через преобразователь.
Об авторе: Vidya.M
— бакалавр технологий (B.Tech) в области электроники и приборостроения 2011 — магистр технологий (M.Tech) в области биомедицинской инженерии 2014 — в настоящее время работает в качестве доцента кафедры приборостроения и Контрольная техника, Индия.Обновлено: Электротехника
Вы также можете прочитать:
.