Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области применения емкостных датчиков

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

сигнализация обрыва обмоточного провода;

регулирование натяжения ленты;

поштучный счет любого вида и др.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

долгий срок эксплуатации;

потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

Недостатки емкостных датчиков

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

высокие требования к экранировке деталей;

необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные качества емкостных датчиков – малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы – делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.

Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

переменной диэлектрической проницаемостью среды ε ;

площадью перекрытия обкладок S ;

В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Классификация емкостных датчиков

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

с переменной площадью электродов;

с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления (электрические датчики давления).

Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Емкостные датчики: принцип работы, виды, применение

Современную промышленность сложно представить без специализированного оборудования. Оно позволяет оптимизировать и ускорить производственные процессы, а определенные операции осуществить без них просто невозможно. Одними из таких приборов являются емкостные датчики. Они представляют собой преобразователи параметрического типа, в которых изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления. О том, как работают, где применяются и какие особенности имеют такие приборы, вы узнаете из данной статьи.

Устройство и принцип работы емкостных датчиков

Конструкция данных приборов сравнительно проста. Стандартный емкостный датчик — это конденсатор, который имеет плоскую или цилиндрическую форму. Одна из его пластин все время перемещается в пространстве. В ходе такого движения происходит изменение расстояния между пластинами, деформация диэлектрика, смена его положения, проницаемости и проч.

Емкость для плоского конденсатора выражается формулой:

, где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, и — площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные датчики функционируют следующим образом:

Активная поверхность емкостных датчиков образуется металлическими электродами. Последние являются частью цепи обратной связи высокочастотного генератора. Приближаясь к активной поверхности емкостного датчика, объект оказывается под воздействием электрического поля. В этот момент генератор формирует колебания. Их амплитуда увеличивается в зависимости от того, насколько близко находится объект.

Какие бывают емкостные датчики?

1. В зависимости от типа исполнения такие устройства подразделяются на следующие виды:

Одноемкостные. Устройства такого типа имеют достаточно простую конструкцию. По сути, одноемкостный датчик — это конденсатор с переменной емкостью. Существенным недостатком такого прибора является подверженность воздействию внешних факторов, среди которых повышенная влажность, температурные колебания и проч.

Двухъемкостные. Датчики такого типа подразделяются на дифференциальные и полудифференциальные. Первые отличаются устойчивостью к воздействиям негативных внешних факторов, высокой точностью и стабильностью работы. Полудифференциальные преобразователи используются в том случае, если применение дифференциальных моделей затруднительно или невозможно.

2. По принципу действия приборы подразделяются на следующие виды:

Емкостные датчики линейных перемещений. Неэлектрические волны, нуждающиеся в регулярном измерении, отличаются значительным многообразием. Большую их часть составляют линейные перемещения. Для контроля их уровня разработаны специальные емкостные датчики. Задействуя их, можно измерять как большие, так и очень маленькие перемещения.

Емкостные датчики угловых перемещений. По алгоритму работы такие устройства схожи с приборами описанного выше типа. Они позволяют с высокой точностью измерять угловые перемещения в различных диапазонах. Наиболее часто используются многосекционные устройства с переменной площадью обкладок конденсатора. В емкостных датчиках данного типа один из электродов конденсатора фиксируется на валу объекта. Вращаясь, он перемещается. В результате происходит изменение площади перекрытия пластин конденсатора, после чего меняется емкость.

Инклинометры. Данные устройства, именуемые также датчиками крена, представляют собой дифференциальные преобразователи наклона, в составе которых присутствует элемент в виде капсулы. Эта деталь включает подложку с планарными электродами, на которые нанесен специальный изоляционный слой. Внутри корпуса устройства находится проводящая жидкость, являющаяся общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод вместе с планарными электродами образует дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора. Последняя находится, в зависимости от положения корпуса, в вертикальной плоскости. Особенности проектирования инклинометра предполагают наличие линейной зависимости выходного сигнала от угла наклона в рабочей плоскости. При этом параметры в нерабочей плоскости остаются неизменными. На сам сигнал могут оказывать незначительное влияние температурные колебания. Если требуется определить положение плоскости в пространстве, применяются сразу два таких датчика, причем они должны располагаться под углом 90 градусов. Сегодня в продаже представлены компактные датчики с электрическим выходным сигналом, который пропорционален углу наклона прибора. Среди многочисленных достоинств данного оборудования стоит выделить высокую точность измерений, небольшой вес, отсутствие подвижных конструкционных элементов, удобство фиксации и оптимальную стоимость. Благодаря этим преимуществам инклинометры такого типа активно применяются не только на стационарных, но также и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня. Оборудование такого типа активно применяется в системах контроля и управления технологическими процессами в различных промышленных отраслях (химической, пищевой, фармацевтической и проч.). Они позволяют измерять уровень различных жидкостей, сыпучих материалов, всевозможных вязких сред. Одним из основных достоинств таких приборов является возможность эксплуатации в сложных условиях, к примеру, при образовании конденсата или высокой запыленности.

Где применяются емкостные датчики?

Такие устройства широко используются во многих отраслях. Емкостные датчики применяются в системах контроля различных производственных процессов. Они позволяют определить уровень заполнения резервуаров, выполняют функцию выключателей на автоматизированных линиях, станках и конвейерах.

Сегодня активно используются датчики приближения. Такие устройства имеют обширный функционал. Они сигнализируют об уровне заполнения стеклянных и пластиковых емкостей и прозрачных упаковок, регулируют натяжение ленты и проч.

В настоящее время наиболее активно используются датчики угловых и линейных перемещений. Их применяют в машиностроительной, энергетической и других промышленных отраслях.

Как уже отмечалось ранее, одними из самых современных и удобных считаются инклинометры. Среди функциональных возможностей этих датчиков стоит выделить следующие:

Основные преимущества емкостных датчиков

Среди достоинств таких приборов стоит отметить следующие:

Недостатки емкостных датчиков

Обратившись в компанию «ОвенКомплектАвтоматика», вы можете заказать различные модификации емкостных датчиков. Вся представленная в продаже продукция сертифицирована и в полной мере соответствует установленным стандартам качества, надежности и безопасности. Именно поэтому она находит широкое применение по всей России.

Оборудование, которое мы реализуем, проходит процедуру обязательного тестирования. Только после этого оно поступает в продажу. Благодаря такому подходу наша компания смогла заручиться доверием клиентов.

Наша компания устанавливает оптимальную стоимость на весь ассортимент. Сотрудничая с производителями оборудования напрямую и не обращаясь к посредникам, мы имеем возможность снижать собственные расходы и исключать необоснованные торговые наценки. Кроме того, наши клиенты получают дополнительные бонусы в виде скидок. На них могут рассчитывать оптовые заказчики, а также покупатели, с которыми мы сотрудничаем на постоянной основе.

В нашей компании действует услуга доставки продукции. Мы привезем оборудование абсолютно бесплатно в любую точку столицы при заказе изделий общей стоимостью свыше 35 000 рублей, а также по области, если итоговая сумма чека составит не менее 100 000 рублей.

Кроме того, мы готовы предложить услуги гарантийного и послегарантийного обслуживания продукции.

Заказать оборудование на сайте нашей компании вы можете в режиме онлайн. Если вам требуется профессиональная консультация, обращайтесь к нашим специалистам по указанному на странице телефону. Они ответят на все возникшие у вас вопросы и при необходимости помогут с оформлением заказа.

Источник

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.

Классификация

По исполнению емкостные датчики делятся на:

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.

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:

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:

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:

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

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.

Источник