Капацитивни сензори

Капацитивни сензор се назива параметарски тип претварача где се промена измерене вредности претвара у промену капацитивности.

Примене капацитивних сензора

Могуће примене капацитивних сензора су изузетно разноврсне. Користе се у системима за регулацију и контролу индустријских процеса у скоро свим индустријама. Капацитивни сензори се користе за контролу пуњења резервоара течним, прашкастим или зрнатим материјама, као што су гранични прекидачи на аутоматизованим линијама, транспортери, роботи, обрадни центри, машине за сечење метала, у сигналним системима, за позиционирање разних механизама итд.

Тренутно су најраспрострањенији сензори близине (присуства), који поред своје поузданости имају и широк спектар предности. Уз релативно ниску цену, сензори близине покривају широк спектар усмерености у својој примени у свим индустријама. Типичне области употребе капацитивних сензора овог типа су:

• сигнализација за пуњење пластичних или стаклених контејнера;

• контрола нивоа пуњења провидних паковања;

• аларм лома намотаја;

• подешавање затезања појаса;

• делимични рачун било које врсте итд.

Капацитивни линеарни и угаони енкодери су најчешћи уређаји, који се широко користе у инжењерству и транспорту, грађевинарству и енергетици, у различитим мерним комплексима.

Релативно нови уређаји који су ушли у широку индустријску употребу последњих година постали су мали капацитивни инклинометри са електричним излазним сигналом пропорционалним углу нагиба сензора... Као главне се могу сматрати следеће области примене инклинометара: употреба у системима нивелисања платформи, одређивање одступања и деформација различитих врста ослонаца и греда, контрола углова нагиба путева и железничких пруга током њихове изградње, ремонта и експлоатације, одређивање рола аутомобила, бродова и подводних робота, дизалица и дизалица, багера, пољопривредних машина, одређивање угаоних померања разних врста ротирајућих објеката - вратила, точкова, механизама мењача како на непокретним тако и на покретним објектима.

Капацитивни сензори нивоа користе се у системима управљања, регулацији и управљању производним процесима у прехрамбеној, фармацеутској, хемијској индустрији, индустрији прераде нафте. Ефикасни су у раду са течностима, расутим материјалима, суспензијама, вискозним супстанцама (проводним и непроводним), као иу условима кондензације, прашине.

Капацитивни сензори се такође користе у разним индустријама за мерење апсолутног и мерачког притиска, дебљине диелектричних материјала, влажности ваздуха, деформација, угаоних и линеарних убрзања итд.

Предности капацитивних сензора у односу на друге типове сензора

Капацитивни сензори нуде бројне предности у односу на друге типове сензора. Њихове предности укључују:

• једноставност производње, употреба јефтиних материјала за производњу; — мала величина и тежина; — ниска потрошња енергије; - висока осетљивост;

• недостатак контаката (у неким случајевима - један струјни колектор);

• дуг радни век;

• потреба за врло малим силама за померање покретног дела капацитивног сензора;

• лакоћа прилагођавања облика сензора различитим задацима и дизајном;

Недостаци капацитивних сензора

Недостаци капацитивних сензора укључују:

• релативно мали коефицијент преноса (конверзије);

• високи захтеви за заштитне делове;

• потреба за радом на вишој (у поређењу са 50 Хз) фреквенцији;

У већини случајева, међутим, довољна заштита се може постићи захваљујући дизајну сензора, а пракса показује да капацитивни сензори дају добре резултате на широко коришћеној фреквенцији од 400 Хз. Инхерентан кондензатори ефекат ивице постаје значајан тек када је растојање између плоча упоредиво са линеарним димензијама површина које се разматрају. Овај ефекат се донекле може елиминисати помоћу заштитног прстена, који омогућава да се његов утицај помери изван граница површине плоча које се стварно користе за мерења.

Капацитивни сензори су изузетни по својој једноставности, што омогућава робустан и поуздан дизајн. Параметри кондензатора зависе само од геометријских карактеристика и не зависе од особина коришћених материјала, ако су ови материјали правилно одабрани. Због тога утицај температуре на промене површине и размак плоча може бити занемарљиво мали избором одговарајуће класе метала за плоче и изолације за њихово причвршћивање. Остаје само да заштити сензор од оних фактора околине који могу погоршати изолацију између плоча - од прашине, корозије, влаге, јонизујућег зрачења.

Вриједни квалитети капацитивних сензора — мала количина механичке силе потребна за померање његовог покретног дела, могућност подешавања излаза система за праћење и висока тачност рада — чине капацитивне сензоре незаменљивим у уређајима где су грешке од само стотинке па чак и хиљадитих процената је дозвољено.

Врсте капацитивних претварача и њихове карактеристике дизајна

Типично, капацитивни сензор је раван или цилиндрични кондензатор, чија се једна плоча контролише, изазивајући промену капацитивности. Занемарујући крајње ефекте, капацитивност равног кондензатора може се изразити на следећи начин:

где је ε Релативна диелектрична константа средине затворене између плоча, Ц и е — површина разматраних плоча и, сходно томе, растојање између њих.

Капацитивни претварачи се могу користити за мерење различитих величина у три правца, у зависности од функционалног односа мерене неелектричне величине са следећим параметрима:

• променљива диелектрична константа средине ε;

• површина преклапања плоча Ц;

• различито растојање између плоча е.

У првом случају, капацитивни претварачи се могу користити за анализу састава супстанце, пошто је диелектрична константа функција особина супстанце. У овом случају, природна улазна вредност претварача биће састав супстанце која испуњава простор између плоча. Капацитивни претварачи овог типа посебно се широко користе у мерењу садржаја влаге чврстих материја и течности, нивоа течности, као и при одређивању геометријских димензија малих објеката. У већини случајева практичне употребе капацитивних претварача, њихова природна улазна вредност је геометријско померање електрода једна у односу на другу.На основу овог принципа израђују се сензори линеарног и угаоног померања, уређаји за мерење сила, вибрација, брзине и убрзања, сензори за сензори близине, притиска и напрезања (екстензометри).

Класификација капацитивног сензора

У погледу имплементације, сви капацитивни мерни претварачи се могу поделити на једнокапацитивне и двокапацитивне сензоре. Потоњи су диференцијални и полудиференцијални.

Један сензор капацитивности је једноставног дизајна и један је променљиви кондензатор. Његови недостаци укључују значајан утицај спољашњих фактора као што су влажност и температура.За компензацију ових грешака применити диференцијалне конструкције... Недостатак оваквих сензора у односу на једнокапацитивне је потреба за најмање три (уместо две) оклопљене спојне жице између сензора и мерног уређаја за сузбијање тзв. који се називају паразитски капацитети. Међутим, овај недостатак се исплаћује значајним повећањем тачности, стабилности и проширења поља примене таквих уређаја.

У неким случајевима, диференцијални капацитивни сензор је тешко направити због дизајнерских разлога (ово посебно важи за диференцијалне сензоре са променљивим размаком). Међутим, ако се у исто време примерни кондензатор постави у исто кућиште са радним и буду што је могуће идентични по дизајну, димензијама и употребљеним материјалима, онда ће бити знатно мања осетљивост целог уређаја на спољне дестабилизујуће утицаје. осигуран . У таквим случајевима можемо говорити о полудиференцијалном капацитивном сензору, који се, као и диференцијални, односи на бикапацитивни.

Специфичност излазног параметра двоволуменских сензора, који је представљен као бездимензионални однос дводимензионалних физичких величина (у нашем случају, капацитивности), даје разлог да их назовемо сензорима односа. Када се користе двоструки капацитивни сензори, мерни уређај можда уопште не садржи стандардне мере капацитивности, што доприноси повећању тачности мерења.

Енкодери линеарног померања

Неелектричне величине које треба мерити и контролисати су многе и различите. Значајан део њих су линеарни и угаони помаци. На основу кондензатора који електрично поље два главна типа капацитивних сензора померања могу се равномерно креирати у радном зазору:

• са променљивом површином електрода;

• са променљивим размаком између електрода.

Сасвим је очигледно да су први погоднији за мерење великих померања (јединице, десетине и стотине милиметара), а други за мерење малих и ултра малих помераја (делови милиметра, микрометри и мање).

Угаони енкодери

Капацитивни претварачи угаоног померања су у принципу слични капацитивним претварачима са линеарним помаком, а сензори променљиве површине су такође погоднији у случају не превише малих мерних опсега (почев од јединица степени), и капацитивни сензори са променљивим углом. може се успешно користити за мерење малих и ултра малих угаоних помака. Обично се за угаоне помаке користе претварачи са више секција са променљивом површином плоче кондензатора.

У таквим сензорима, једна од електрода кондензатора је причвршћена на осовину објекта, а током ротације се помера у односу на стационарну, мењајући површину преклапања плоча кондензатора. Ово, заузврат, изазива промену капацитивности коју хвата мерно коло.

Инклинометри

Инклинометар (сензор нагиба) је диференцијални капацитивни претварач нагиба који укључује сензорски елемент у облику капсуле.

Капацитивни инклинометар

Капсула се састоји од подлоге са две равне електроде 1, прекривене изолационим слојем, и тела 2, херметички причвршћеног за подлогу.Унутрашња шупљина тела је делимично испуњена проводљивом течношћу 3, која је заједничка електрода осетљив елемент.Заједничка електрода формира диференцијални кондензатор са равним електродама. Излазни сигнал сензора је пропорционалан вредности капацитивности диференцијалног кондензатора, која је линеарно зависна од положаја кућишта у вертикалној равни.

Инклинометар је пројектован тако да има линеарну зависност излазног сигнала од угла нагиба у једној такозваној радној равни и практично не мења очитавања у другој (нерадној) равни, док његов сигнал слабо зависи од температуре. Промене. За одређивање положаја авиона у простору користе се два инклинометра, који се налазе под углом од 90 ° један према другом.

Мали инклинометри са електричним излазним сигналом пропорционалним углу нагиба сензора су релативно нови уређаји. Њихова висока прецизност, минијатурна величина, недостатак покретних механичких јединица, лакоћа уградње на градилишту и ниска цена чине их препоручљивим не само као сензоре котрљања, већ и за замену сензора угла са њима, не само стационарних већ и покретних. објеката.

Капацитивни сензори нивоа течности

Капацитивни предајник за мерење нивоа непроводне течности састоји се од два паралелно повезана кондензатора

Сензори притиска

Један од основних дизајна капацитивног претварача притиска је један статор, који се користи за мерење апсолутног притиска (електрични сензори притиска).

Такав сензор се састоји од металне ћелије подељене на два дела чврсто затегнутом равном металном дијафрагмом, на чијој се једној страни налази фиксна електрода изолована од тела.Електрода дијафрагме формира променљиви капацитет, који је укључен у мерно коло. Када је притисак једнак на обе стране дијафрагме, претварач је избалансиран. Промена притиска у једној од комора деформише дијафрагму и мења капацитивност, што је фиксирано мерним кругом.

У двостаничном (диференцијалном) дизајну, дијафрагма се креће између две фиксне плоче и референтни притисак се доводи у једну од две коморе, што обезбеђује директно мерење диференцијалног (вишка или диференцијалног) притиска са најмањом грешком.