Kapacitivni senzori

Kapacitivni senzor naziva se pretvarač parametarskog tipa gdje se promjena izmjerene vrijednosti pretvara u promjenu kapaciteta.

Primjene kapacitivnog senzora

Moguće primjene kapacitivnih senzora vrlo su raznolike. Koriste se u regulaciji industrijskih procesa i sustavima upravljanja u gotovo svim industrijama. Kapacitivni senzori koriste se za kontrolu punjenja spremnika tekućim, praškastim ili granuliranim tvarima, kao što su granični prekidači na automatiziranim linijama, transporterima, robotima, obradnim centrima, strojevima za rezanje metala, u signalnim sustavima, za pozicioniranje raznih mehanizama itd.

Trenutno su najrasprostranjeniji senzori blizine (prisutnosti) koji osim svoje pouzdanosti imaju i niz prednosti. Uz relativno nisku cijenu, senzori blizine pokrivaju širok raspon usmjerenja u svojoj primjeni u svim industrijama. Tipična područja uporabe kapacitivnih senzora ove vrste su:

• signalizacija za punjenje plastičnih ili staklenih posuda;

• kontrola razine punjenja prozirnih pakiranja;

• alarm za lom zavojnice;

• podešavanje napetosti remena;

• djelomični račun bilo koje vrste itd.

Kapacitivni linearni i kutni enkoderi najčešći su uređaji koji se široko koriste u inženjerstvu i transportu, građevinarstvu i energetici, u raznim mjernim kompleksima.

Relativno novi uređaji koji su ušli u široku industrijsku upotrebu posljednjih godina postali su kapacitivni inklinometri male veličine s električnim izlaznim signalom proporcionalnim kutu nagiba senzora... Sljedeća područja primjene inklinometara mogu se smatrati glavnim: uporaba u sustavima niveliranja platformi, određivanje odstupanja i deformacija različitih vrsta nosača i greda, kontrola kutova nagiba cesta i željeznica tijekom njihove izgradnje, popravka i rada, određivanje nagiba automobila, brodova i podvodnih robota, dizalica i dizalica, bagera, poljoprivrednih strojeva, određivanje kutnog pomaka raznih vrsta rotirajućih objekata - vratila, kotača, mjenjačkih mehanizama na nepokretnim i pokretnim objektima.

Kapacitivni senzori razine koriste se u sustavima kontrole, regulacije i upravljanja proizvodnim procesima u prehrambenoj, farmaceutskoj, kemijskoj industriji, industriji rafiniranja nafte. Učinkoviti su pri radu s tekućinama, rasutim materijalima, suspenzijama, viskoznim tvarima (vodljivim i nevodljivim), kao iu uvjetima kondenzacije, prašnjavosti.

Kapacitivni senzori također se koriste u raznim industrijama za mjerenje apsolutnog i nadtlaka, debljine dielektričnih materijala, vlažnosti zraka, naprezanja, kutnih i linearnih ubrzanja itd.

Prednosti kapacitivnih senzora u odnosu na druge vrste senzora

Kapacitivni senzori nude brojne prednosti u odnosu na druge vrste senzora. Njihove prednosti uključuju:

• jednostavnost proizvodnje, korištenje jeftinih materijala za proizvodnju; — mala veličina i težina; — niska potrošnja energije; - visoka osjetljivost;

• nedostatak kontakata (u nekim slučajevima - jedan kolektor struje);

• dug radni vijek;

• potreba za vrlo malim silama za pomicanje pokretnog dijela kapacitivnog senzora;

• jednostavnost prilagodbe oblika senzora različitim zadacima i dizajnu;

Nedostaci kapacitivnih senzora

Nedostaci kapacitivnih senzora uključuju:

• relativno mali koeficijent prijenosa (pretvorbe);

• visoki zahtjevi za zaštitne dijelove;

• potreba za radom na višoj (u usporedbi s 50 Hz) frekvenciji;

U većini slučajeva, međutim, dovoljna zaštita može se postići zahvaljujući dizajnu senzora, a praksa pokazuje da kapacitivni senzori daju dobre rezultate na naširoko korištenoj frekvenciji od 400 Hz. Svojstveno kondenzatori rubni učinak postaje značajan samo kada je udaljenost između ploča usporediva s linearnim dimenzijama razmatranih površina. Ovaj učinak može se donekle eliminirati pomoću zaštitnog prstena, koji omogućuje pomicanje njegovog utjecaja izvan granica površine ploča koje se stvarno koriste za mjerenja.

Kapacitivni senzori odlikuju se svojom jednostavnošću, što omogućuje robustan i pouzdan dizajn. Parametri kondenzatora ovise samo o geometrijskim karakteristikama i ne ovise o svojstvima korištenih materijala, ako su ti materijali pravilno odabrani. Stoga utjecaj temperature na površinske promjene i razmak ploča može biti zanemarivo malen odabirom odgovarajuće vrste metala za ploče i izolaciju za njihovo pričvršćivanje. Ostaje samo zaštititi senzor od onih čimbenika okoline koji mogu pogoršati izolaciju između ploča - od prašine, korozije, vlage, ionizirajućeg zračenja.

Vrijedne kvalitete kapacitivnih senzora - mala količina mehaničke sile potrebne za pomicanje njegovog pomičnog dijela, mogućnost podešavanja izlaza sustava za praćenje i visoka točnost rada - čine kapacitivne senzore nezamjenjivima u uređajima gdje su pogreške od samo stotinki i čak tisućinke su dopuštene.

Vrste kapacitivnih pretvarača i njihove konstrukcijske značajke

Tipično, kapacitivni senzor je ravni ili cilindrični kondenzator, čija se jedna ploča kontrolirano pomiče, uzrokujući promjenu kapaciteta. Zanemarujući krajnje učinke, kapacitet ravnog kondenzatora može se izraziti na sljedeći način:

gdje je ε Relativna dielektrična konstanta medija zatvorenog između ploča, C i e - područje razmatranih ploča i, prema tome, udaljenost između njih.

Kapacitivni pretvarači mogu se koristiti za mjerenje različitih veličina u tri smjera, ovisno o funkcionalnom odnosu mjerene neelektrične veličine sa sljedećim parametrima:

• promjenjiva dielektrična konstanta medija ε;

• područje preklapanja ploča C;

• različiti razmak između ploča e.

U prvom slučaju, kapacitivni pretvornici mogu se koristiti za analizu sastava tvari, budući da je dielektrična konstanta funkcija svojstava tvari. U ovom slučaju, prirodna ulazna vrijednost pretvarača bit će sastav tvari koja ispunjava prostor između ploča. Kapacitivni pretvarači ovog tipa posebno se široko koriste u mjerenju sadržaja vlage u krutim tvarima i tekućinama, razine tekućine, kao iu određivanju geometrijskih dimenzija malih predmeta. U veini sluajeva praktine uporabe kapacitivnih pretvaraa njihova je prirodna ulazna vrijednost geometrijski pomak elektroda meusobno u odnosu na drugu.Na tom naelu temeljeni su senzori linearnog i kutnog pomaka, ureaji za mjerenje sila, vibracija, brzine i ubrzanja, senzori za senzori blizine, tlaka i naprezanja (ekstenzometri).

Klasifikacija kapacitivnog senzora

Izvedbeno se svi kapacitivni mjerni pretvarači mogu podijeliti na jednokapacitivne i dvokapacitivne senzore. Potonji su diferencijalni i polu-diferencijalni.

Senzor s jednim kapacitetom je jednostavnog dizajna i jedan je promjenjivi kondenzator. Njegovi nedostaci uključuju značajan utjecaj vanjskih čimbenika kao što su vlaga i temperatura.Da bi se te pogreške kompenzirale, primijeniti diferencijalne izvedbe... Nedostatak ovakvih senzora u usporedbi s jednokapacitivnim je potreba za najmanje tri (umjesto dvije) oklopljene spojne žice između senzora i mjernog uređaja za suzbijanje tzv. koji se nazivaju parazitni kapaciteti. Međutim, ovaj nedostatak se isplaćuje značajnim povećanjem točnosti, stabilnosti i proširenjem područja primjene takvih uređaja.

U nekim je slučajevima diferencijalni kapacitivni senzor teško izraditi zbog konstrukcijskih razloga (ovo posebno vrijedi za diferencijalne senzore s promjenjivim razmakom). Međutim, ako se istodobno uzorni kondenzator smjesti u isto kućište s ispravnim i da su što identični po izvedbi, dimenzijama i korištenim materijalima, tada će biti puno manja osjetljivost cijelog uređaja na vanjske destabilizirajuće utjecaje. osiguran . U takvim slučajevima možemo govoriti o poludiferencijalnom kapacitivnom senzoru, koji se, kao i diferencijalni, odnosi na bikapacitivni.

Specifičnost izlaznog parametra dvovolumenskih senzora, koji se predstavlja kao bezdimenzionalni omjer dvodimenzionalnih fizikalnih veličina (u našem slučaju kapacitivnosti), daje razlog da ih nazovemo senzorima omjera. Pri korištenju senzora dvostrukog kapaciteta, mjerni uređaj možda neće sadržavati nikakve standardne mjere kapaciteta, što pridonosi povećanju točnosti mjerenja.

Enkoderi linearnog pomaka

Neelektrične veličine koje treba mjeriti i kontrolirati su brojne i različite. Značajan dio njih su linearni i kutni pomaci. Na temelju kondenzatora koji električno polje dva glavna tipa kapacitivnih senzora pomaka mogu se stvoriti ravnomjerno u radnom rasporu:

• s promjenjivom površinom elektrode;

• s promjenjivim razmakom između elektroda.

Sasvim je očito da su prvi prikladniji za mjerenje velikih pomaka (jedinice, desetke i stotine milimetara), a drugi za mjerenje malih i ultramalih pomaka (dijelovi milimetra, mikrometri i manje).

Kutni koderi

Kapacitivni pretvornici kutnog pomaka načelno su slični kapacitivnim pretvornicima linearnog pomaka, a senzori s promjenjivom površinom također su prikladniji u slučaju ne premalih mjernih raspona (počevši od jedinica stupnjeva) i kapacitivni senzori s promjenjivim kutnim razmakom može se uspješno koristiti za mjerenje malih i ultra malih kutnih pomaka. Obično se za kutne pomake koriste višesječni pretvornici s promjenjivom površinom ploče kondenzatora.

U takvim senzorima, jedna od elektroda kondenzatora je pričvršćena na osovinu objekta, a tijekom rotacije se pomiče u odnosu na stacionarnu, mijenjajući područje preklapanja ploča kondenzatora. To zauzvrat uzrokuje promjenu kapaciteta koju bilježi mjerni krug.

Inklinometri

Inklinometar (senzor nagiba) je diferencijalni kapacitivni pretvarač nagiba koji uključuje senzorski element u obliku kapsule.

Kapacitivni inklinometar

Kapsula se sastoji od podloge s dvije ravne elektrode 1, prekrivene izolacijskim slojem, i tijela 2, hermetički pričvršćenog na podlogu. Unutarnja šupljina tijela djelomično je ispunjena vodljivom tekućinom 3, koja je zajednička elektroda osjetljiv element.Zajednička elektroda čini diferencijalni kondenzator s ravnim elektrodama. Izlazni signal senzora proporcionalan je vrijednosti kapaciteta diferencijalnog kondenzatora, koji je linearno ovisan o položaju kućišta u vertikalnoj ravnini.

Inklinometar je dizajniran tako da ima linearnu ovisnost izlaznog signala o kutu nagiba u jednoj tzv. radnoj ravnini i praktički ne mijenja očitanja u drugoj (neradnoj) ravnini, dok je njegov signal slabo ovisan o temperaturi promjene. Za određivanje položaja ravnine u prostoru koriste se dva inklinometra, smještena pod kutom od 90 ° jedan prema drugom.

Inklinometri malih dimenzija s električnim izlaznim signalom proporcionalnim kutu nagiba senzora relativno su novi uređaji. Njihova visoka točnost, minijaturna veličina, nedostatak pokretnih mehaničkih jedinica, jednostavnost postavljanja na gradilištu i niska cijena čine ih preporučljivim koristiti ne samo kao senzore kotrljanja, već i za zamjenu senzora kuta, ne samo stacionarnih, već i pokretnih objekti.

Kapacitivni senzori razine tekućine

Kapacitivni transmiter za mjerenje razine nevodljive tekućine sastoji se od dva paralelno spojena kondenzatora.

Senzori tlaka

Jedan od osnovnih dizajna kapacitivnog pretvarača tlaka je jedan stator, koji se koristi za mjerenje apsolutnog tlaka (električni senzori tlaka).

Takav se senzor sastoji od metalne ćelije podijeljene na dva dijela čvrsto nategnutom ravnom metalnom dijafragmom, na čijoj se jednoj strani nalazi fiksna elektroda izolirana od tijela.Membranska elektroda tvori promjenjivi kapacitet, koji je uključen u mjerni krug. Kada je tlak jednak na obje strane dijafragme, pretvarač je uravnotežen. Promjena tlaka u jednoj od komora deformira dijafragmu i mijenja kapacitet, koji je fiksiran mjernim krugom.

U izvedbi s dvije stanice (diferencijalni), dijafragma se pomiče između dvije fiksne ploče i referentni tlak se dovodi u jednu od dvije komore, što omogućuje izravno mjerenje diferencijalnog (prekomjernog ili diferencijalnog) tlaka s najmanjom pogreškom.