ємнісні датчики

Датчиком місткості називають перетворювач параметричного типу, в якому зміна вимірюваної величини перетвориться в зміну ємнісного опору.

Емкocтной дaтчік. вимірювальний перетворювач неелектричних величин (рівня рідини, механічні зусилля, тиску, вологості та ін.) в значення електричної ємності. Конструктивно ємнісний датчик являє собою конденсатор електричний плоскопараллельний або циліндричний. Розрізняють ємнісні датчики. дія яких заснована на зміні зазору між пластинами або площі їх взаємного перекриття, деформації діелектрика, зміні його положення, складу або діелектричної проникності. Найбільш часто ємнісні датчики застосовують для вимірювань мінливих тиску або рівня, точних вимірювань механічних переміщень і т. П.

Будова і принципи роботи ємнісного датчика

Мал. 1. Пристрій ємнісного датчика

Емкocтний бecконтакний датчик функціонує наступним чином:

Генератор забезпечує електричне поле взаємодії з об'єктом.
Демодулятор перетворює зміна амплітуди високочастотних коливань генератора в зміна постійної напруги.
Тригер забезпечує необхідну крутизну фронту сигналу перемикання і значення гістерезису.
Підсилювач збільшує вихідний сигнал до необхідного значення.
Світлодіодний індикатор показує стан вимикача, забезпечує працездатності, оперативність настройки.
Компаунд забезпечує необхідний ступінь захисту від проникнення твердих частинок і води.
Корпус забезпечує монтаж вимикача, захищає від механічних впливів. Виконується з латуні або поліаміду, комплектується метизними виробами.

Активна поверхня ємнісного безконтактного датчика утворена двома металевими електродами, які можна уявити як обкладки "розгорнутого" конденсатора (див. Рис. 1.). Електроди включені в ланцюг зворотного зв'язку високочастотного автогенератора, налаштованого таким чином, що при відсутності об'єкта поблизу активної поверхні він не генерує. При наближенні до активної поверхні ємнісного безконтактного датчика об'єкт потрапляє в електричне поле і змінює ємність зворотного зв'язку. Генератор починає виробляти коливання, амплітуда яких зростає в міру наближення об'єкта. Амплітуда оцінюється подальшої схемою обробки, яка формує вихідний сигнал.

Ємнісні безконтактні датчики спрацьовують як від електропровідних об'єктів, так і від діелектриків. При впливі об'єктів з електропровідних матеріалів реальне відстань спрацьовування Sr максимально, а при впливі об'єктів з діелектричних матеріалів відстань Sr зменшується в залежності від діелектричної проникності матеріалу er (див. Графік залежності Sr від Er (Рис. 2.) і таблицю діелектричної проникності матеріалів). При роботі з об'єктами з різних матеріалів, з різною діелектричною проникністю, необхідно користуватися графіком залежності Sr від Er. Номінальна відстань спрацьовування (Sn) і гарантований інтервал впливу (Sa), зазначені в технічних характеристиках вимикачів, відносяться до заземленого металевого предмету впливу (Sr = 100%). Співвідношення для визначення вартості реального відстані спрацьовування (Sr): 0,9 Sn

Мал. 2. Залежність реального відстані спрацьовування Sr від діелектричної проникності матеріалу об'єкта Er

Діелектрична проникність деяких матеріалів: Матеріал - Er

Аміак. 16
Аралдіт. 3,6
Бакеліт. 3,6
Бензол. 2,3
Папір. 2,3
Папір промаслена. 4,0
Вода. 80
Вініпласт. 4,0
Повітря. 1,0
Гетінакс. 4,5
Деревина. 2-7
Компаунд кабельний. 2,5
Гас. 2,2
Мармур. 8,0
Масло трансформаторне. 2,2
Нафта. 2,2
Оргскло. 3,2
Поліамід. 5,0
Парафін. 2,2
Кварцові скло. 3,7
Кварцевий пісок. 4,5

Полівінілхлорид. 2,9
Поліпропілен. 2,3
Полістирол. 3,0
Поліетилен. 2,3
Гума м'яка. 2,5
Гума силіконова. 2,8
Слюда. 6,0
Скипидар. 2,2
Спирт етиловий. 25,8
Склотекстоліт. 5,5
Скло. 5,0
Тальк. 1,6
Текстоліт. 7,5
Фторопласт (Тефлон). 2,0
Фарфор. 4,4
Целулоїд. 3,0
Цемент. 2,0
Ебоніт. 4,0
Електрокартон. 4,0
Толуол. 2,4
Фанера. 4,0

Області застосування ємнісних датчиків

Можливі області застосування ємнісних датчиків надзвичайно різноманітні. Вони використовуються в системах регулювання і управління виробничими процесами майже у всіх галузях промисловості. Ємнісні датчики застосовуються для контролю заповнення резервуарів рідким, порошкоподібною або зернистим речовиною, як кінцеві вимикачі на автоматизованих лініях, конвеєрах, роботах, обробних центрах, верстатах, в системах сигналізації, для позиціонування різних механізмів і т. Д. В даний час найбільш широкого поширення набули датчики наближення (присутності), які крім своєї надійності, мають широкий ряд переваг. Маючи порівняно низьку вартість, датчики наближення охоплюють величезний спектр спрямованості по своєму застосуванню в усіх галузях промисловості.

Типовими областями використання ємнісних датчиків цього типу є:

сигналізація заповнення ємностей із пластику або скла;
контроль рівня заповнення прозорих упаковок;
сигналізація обриву обмотувального дроту;
регулювання натягу стрічки;
поштучний рахунок будь-якого виду та ін.

Ємнісні датчики лінійних і кутових переміщень є найбільш поширеними приладами, широко використовуються в машинобудуванні і на транспорті, будівництві та енергетиці, в різних вимірювальних комплексах. Порівняно новими приладами, доведеними до широкого промислового застосування в останні роки, стали малогабаритні ємнісні інклінометри з електричним вихідним сигналом, пропорційним куту нахилу датчика ..

В якості основних можна вважати наступні сфери застосування інклінометров:

використання в системах горизонтирования платформ;
визначення величини прогинів і деформацій різного роду опор і балок;
контроль кутів нахилу автомобільних і залізниць при їх будівництві, ремонті та експлуатації;
визначення крену автомобілів, кораблів і підводних роботів, підйомників і кранів, екскаваторів, сільськогосподарських машин;
визначення кутового переміщення різного роду обертових об'єктів - валів, коліс, механізмів редукторів як на стаціонарних, так і рухомих об'єктах.

Датчики лінійних переміщень

Неелектричні величини, що підлягають вимірюванню та контролю, досить численні і різноманітні. Значну їх частину складають лінійні і кутові переміщення. На основі конденсатора, у якого електричне поле в робочому зазорі рівномірно, можуть бути створені конструкції ємнісних датчиків переміщення двох основних типів: зі змінною площею електродів; зі змінним зазором між електродами. Досить очевидно, що перші більш зручні для вимірювання великих переміщень (одиниці, десятки і сотні міліметрів), а другі - для вимірювання малих і надмалих переміщень (частки міліметра, мікрометри і менше).

Датчики кутових переміщень

Ємнісні вимірювальні перетворювачі кутових переміщень подібні за принципом дії ємнісним датчикам лінійних переміщень, причому датчики зі змінною площею також більш доцільні в разі не дуже малих діапазонів вимірювання (починаючи з одиниць градусів), а ємнісні датчики зі змінним кутовим зазором можуть з успіхом використовуватися для вимірювання малих і надмалих кутових переміщень. Зазвичай для кутових переміщень використовують багатосекційні перетворювачі зі змінною площею обкладок конденсатора. У таких датчиках один з електродів конденсатора кріпиться до валу об'єкта, і при обертанні зміщується щодо нерухомого, змінюючи площу перекриття пластин конденсатора. Це в свою чергу викликає зміна ємності, що фіксується вимірювальної схемою.

Инклинометр (датчик крену) являє собою диференційний ємнісний перетворювач нахилу, що включає в себе чутливий елемент у формі капсули.

Мал. 3. Пристрій ємнісного інклінометра

Капсула складається з підкладки з двома планарнимі електродами 1, покритими ізолюючим шаром, і герметично закріпленим на підкладці корпусом 2. Внутрішня порожнину корпусу частково заповнена проводить рідиною 3, яка є спільним електродом чутливого елемента. Загальний електрод утворює з планарнимі електродами диференційний конденсатор. Вихідний сигнал датчика пропорційна величині ємності диференціального конденсатора, яка лінійно залежить від положення корпуса в вертикальній площині.

Инклинометр спроектований так, що має лінійну залежність вихідного сигналу від кута нахилу в одній - так званої робочої площини і практично не змінює показання в інший (неробочий) площині, при цьому його сигнал слабо залежить від зміни температури. Для визначення положення площини в просторі використовується два, розташованих під кутом 90 ° один до одного інклінометра.

Малогабаритні інклінометри з електричним вихідним сигналом, пропорційним куту нахилу датчика, є порівняно новими приладами. Їх висока точність, мініатюрні розміри, відсутність рухомих механічних вузлів, простота кріплення на об'єкті і низька вартість роблять доцільним використовувати їх не тільки в якості датчиків крену, а й замінювати ними кутові датчики, причому не тільки на стаціонарних, але і на рухомих об'єктах.

Ємнісні датчики рівня знаходять застосування в системах контролю, регулювання та управління виробничими процесами в харчовій, фармацевтичній, хімічній, нафтопереробній промисловості. Вони ефективні при роботі з рідинами, сипучими матеріалами, пульпою, в'язкими речовинами (які проводять і непроводящими), а також в умовах утворення конденсату, запиленості.

Ємнісний перетворювач для вимірювання рівня непроводящей рідини являє собою два паралельно з'єднаних конденсатора.

Однією з основних конструкцій ємнісного перетворювача тиску є одностаторная, яка застосовується для вимірювання абсолютного тиску.

Такий датчик складається з металевої осередку, розділеної на дві частини туго натягнутою плоскою металевою діафрагмою, з одного боку якої розташований нерухомий ізольований від корпусу електрод. Електрод з діафрагмою утворюють змінну ємність, яка включена в вимірювальну схему. Коли тиск по обидва боки діафрагми однаково, датчик збалансований. Зміна тиску в одній з камер деформує діафрагму і змінює ємність, що фіксується вимірювальної схемою.

У двухстаторной (диференціальної) конструкції діафрагма переміщається між двома нерухомими пластинами в одну з двох камер подається опорний тиск, що забезпечує пряме вимірювання диференційного (надлишкового або різницевого) тиску з найменшою похибкою.

Переваги ємнісних датчиків в порівнянні з датчиками інших типів

Ємнісні датчики мають цілу низку переваг у порівнянні з датчиками інших типів. До їх достоїнств відносяться:

простота виготовлення, використання недорогих матеріалів для виробництва;
малі габарити і вага;
низьке споживання енергії;
висока чутливість;
відсутність контактів (в деяких випадках - один струмознімання);
довгий термін експлуатації;
потреба дуже малих зусиль для переміщення рухомої частини ємнісного датчика;
простота пристосування форми датчика до різних завдань і конструкцій.

Ємнісні датчики чудові своєю простотою, що дозволяє створювати міцні і надійні конструкції. Параметри конденсатора залежать тільки від геометричних характеристик і не залежать від властивостей використовуваних матеріалів, якщо ці матеріали правильно підібрані. Отже, можна зробити пренебрежимо вплив температури на зміни площі поверхні і відстані між обкладинками, правильно підбираючи марку металу для обкладок і ізоляцію для їх кріплення. Залишається лише захищати датчик від тих факторів навколишнього середовища, які можуть погіршити ізоляцію між обкладинками, - від пилу, корозії, вологості, іонізуючої радіації.

Цінні якості ємнісних датчиків - мала величина механічного зусилля, необхідного для переміщення його рухомої частини, можливість регулювання виходу стежить системи і висока точність роботи - роблять ємнісні датчики незамінними в приладах, в яких допускаються похибки лише в соті і навіть тисячні частки відсотка.

Недоліки ємнісних датчиків

До недоліків ємнісних датчиків слід віднести:

порівняно невеликий коефіцієнт передачі (перетворення);
високі вимоги до екранування деталей;
необхідність роботи на підвищеній (у порівнянні з 50 Гц) частоті.

Однак в більшості випадків можна домогтися достатньої екранування за рахунок конструкції датчика, а практика показує, що ємнісні датчики дають хороші результати на широко поширеною частоті 400 Гц. Властивий конденсаторів крайової ефект стає значним, лише коли відстань між обкладинками порівняно з лінійними розмірами розглянутих поверхонь. Цей ефект можна в деякій мірі усунути, використовую захисне кільце, що дозволяє винести його вплив за межі поверхні обкладок, реально використовуваної при вимірюванні.

При застосуванні ємнісних вимикачів важливо захиститися від помилкових спрацьовувань, які можуть бути викликані, наприклад, атмосферними опадами (налипання снігу), технологічними рідинами і ін. (Випадковий дотик оператора до вимикача також викличе його спрацювання). Щоб компенсувати вплив опадів, пилу (при виробництві будматеріалів), захисних перегородок тощо введена регулювання чутливості вимикача вбудованим Різноманітність об'єктів впливу, що викликають спрацьовування ємнісних датчики, обумовлює широкий областей, в яких вони застосовуються.

Класифікація ємнісних датчиків

За способом виконання все ємнісні вимірювальні перетворювачі можна розділити на одноемкостние і двух'емкостние датчики.

Останні бувають диференціальними і полудіфференціальнимі.

Одноемкостний датчик простий за конструкцією і являє собою один конденсатор зі змінною ємністю. До його мінусів відноситься значний вплив зовнішніх факторів, таких як вологість і температура.

Для компенсації цих похибок застосовують диференціальні конструкції. Недоліком таких датчиків в порівнянні з одноемкостнимі є необхідність як мінімум трьох (замість двох) екранованих сполучних проводів між датчиком і вимірювальним пристроєм для придушення так званих паразитних ємностей. Однак цей недолік окупається суттєвим підвищенням точності, стабільності і розширенням області застосування таких пристроїв.

У деяких випадках диференційний ємнісний датчик створити важко по конструкторським міркувань (особливо це відноситься до диференціальних датчикам зі змінним зазором). Однак якщо і при цьому зразковий конденсатор розмістити в одному корпусі з робочим, виконати їх по можливості ідентичними за конструкцією, розмірами, матеріалом, то буде забезпечена значно менша чутливість всього пристрою до зовнішніх дестабілізуючих впливів. У таких випадках можна говорити про полудіфференціальном місткості датчику, який, як і диференційний, відноситься до двух'емкостним.

Специфіка вихідного параметра двух'емкостних датчиків, який представляється як безрозмірне співвідношення двох розмірних фізичних величин (в нашому випадку - ємностей), дає підставу називати їх датчиками відносини. При використанні двух'емкостних датчиків вимірювальний пристрій може взагалі не містити зразкових мір ємності, що сприяє підвищенню точності вимірювання.

Контроль рівня сипучих вешеств ємнісними датчиками