Kapacitivni senzor: uređaj i načelo rada. Kapacitivni senzori: primjena

Moderna industrija i čovjekova svakodnevna ljudska aktivnost također se ne mogu zamisliti bez ikakvih elektroničkih uređaja. Oni nam pomažu u svemu, a neke tehnološke operacije bez njih uopće neće biti moguće. Takvim "pomoćnicima" treba pripisati i kapacitivni senzor.

To se nazivaju pretvornici, proizvedeni prema parametarskom tipu. Mjerenje određenog volumena takvim uređajima provodi se zbog fluktuacija kapacitivnog otpora kada se promijene neki važni parametri. Jednostavno rečeno, promjena se procjenjuje Kapacitet kondenzatora pod utjecajem nekih vanjskih čimbenika.

Načelo rada kapacitivnog senzora

To su kapacitivni senzori. Načelo njihovog rada nije tako komplicirano, ali da biste je razumjeli, trebate nešto znati. Za početak, prisjetimo se načela određivanja kapaciteta kondenzatora. Ta se radnja izražava pomoću sljedeće formule:

C = epsilon-epsilon-Ss / delta-.

Ovaj je izraz poznat mnogima iz školskog kolegija fizike, ali ne bi povrijedilo osvježenje pamćenja i sjetiti se što svaka od varijabli implicira:

• S je područje kondenzatorske ploče.
• Epsilon- je relativna propusnost dielektričnog materijala koji se koristi u konstrukciji kondenzatora.
• epsilon-ₒ - tako je u fizici uobičajeno odrediti dielektričnu konstantu vakuuma.
• delta- - to može biti debljina dielektrične ploče, ili udaljenost između nekoliko slojeva materijala.

Dakle, iz gornje formule slijedi da je lako promijeniti kapacitet kondenzatora. Dovoljno je djelovati na površinu ploče dielektričnog materijala, udaljenost između ploča ili izravno na propusnost materijala koji se koristi u proizvodnji. Sukladno tome, izbor određene vrijednosti ovisi samo o popisu zadataka koje su dizajneri stavili pred uređaj.

Dakle, možemo čak napraviti Kapacitivni senzor sa svojim rukama, kao konstruktivnog stajališta je - uobičajene ravne ili cilindrični kondenzator, od kojih je jedna ploča stalno doživljava kontrolirano kretanje u prostoru, što dovodi do promjene u kapacitetu. Treba imati na umu da je gore navedena formula ispravna samo ako potpuno zanemarite rubne efekte. O tome ćemo razgovarati u završnom dijelu ovog članka.

Valja znati da su takvi elektroničkim uređajima često koriste za mjerenje kutne i linearne pomaka predmeta, izračunavanja veličine, primijenjene rad, vlage, koncentraciju aktivne tvari i drugih svojstava. S obzirom na strukturne aspekte pitanju, onda navedene bale su ravnine paralelne u cilindrični kućišta sa pin elektrode, sa oblogom od dielektričnog materijala, čak i bez njega.

Evo kako funkcioniraju kapacitivni senzori. Načelo rada nekih od njih mora biti posebno poznato. U okviru ovog članka dajemo neke formule koje vam mogu biti korisne.

Formule za opisivanje načela rada određenih tipova senzora

Senzor razine s mogućom promjenom u području dielektričnih ploča može se prilično jednostavno opisati pomoću sljedeće jednadžbe:

C = epsilon-epsilon-κaX / delta-.

"X" u ovom slučaju je duljina preklapanja korištenih elektroda. Prema tome, "a" označava širinu ploča samog kondenzatora. Valja napomenuti da su takvi instrumenti pronašli svoju primjenu u različitim industrijskim područjima, gdje se koriste za najtočnije mjerenje kutnih količina. Kapacitet pretvarača se potom može pronaći pomoću sljedećeg izraza:

C = epsilon-epsilon-X (r2-r) / 2d- * (phi-ₒ-phi).

Da bi se točno izmjerila osjetljivost, potrebno je koristiti nešto drugačiju formulu:

K = epsilon-epsilon-X (R2-r) / 2dta-.

Pogledajmo što podrazumijevaju one varijable koje su dio tih jednadžbi:

• rl je unutarnji polumjer ploče kondenzatora;
• r2 je vanjski radijus iste ploče;
• - izmjerena u trenutku (trenutna) vrijednost kuta preklapanja;
• phi-ₒ je početna vrijednost preklapajućeg kuta.

Konačno, analizirat ćemo matematički izraz koji opisuje princip rada kapacitivnog mjerača s promjenjivim zračnim rasporedom:

C = epsilon-epsilon-S / (delta-X-X).

Nije teško pogoditi to ispod delta-ₒ je primarni razmak, dok je isto slovo X označava količinu pomaka ploče. Obratite pažnju! Budući da statičke karakteristike nisu strogo linearne, obično se koristi senzor razine ove vrste za mjerenje iznimno malih pomaka, čija veličina ne prelazi 0,1delta-ₒ. Naravno, ti su uređaji u velikoj potražnji u preciznom inženjerstvu, gdje čak i manja pogreška može dovesti do ozbiljnih problema.

Gdje se mogu koristiti?

Područja njihove primjene su iznimno raznolika. Dakle, praktično u svim granama industrije moguće je zadovoljiti operacije koje su kontrolirane ovim uređajima. Koriste se za kontrolu punjenja različitih spremnika, a njihov sadržaj može biti tekući, granulirani ili plinoviti (plinski senzor).

Njihova prevalencija u industriji i običnoj ljudskoj proizvodnji sve je veća, to je pouzdaniji i jednostavniji dizajn takvih uređaja. Za ukupnost ovih znakova, oni su toliko dobri da se mogu koristiti čak iu nevjerojatno agresivnim uvjetima tankera za ulje.

Osim toga, kapacitivni senzor može se koristiti kao granična sklopka na transportnoj liniji ili alatnom stroju proizvodne dvorane. Također je potrebno za najtočnije pozicioniranje različitih mehanizama.

Prostorni senzori

No, u ovom trenutku postoji poseban zahtjev za senzori blizine, koji se izvode na točno isti princip. Raspon njihove uporabe još je širi. To je zbog penny vrijednosti uređaja i sposobnosti za rad u gotovo svim vrstama industrije. Međutim, postoje tipične industrije gdje su uređaji ove vrste najviše traženi:

• Kontrolirajte punjenje tekućih prozirnih posuda od plastike ili stakla.
• Sličnu funkciju obavljaju u proizvodnji prehrambenih proizvoda (uključujući djecu), gdje se gotova roba pakira u posude s prozirnim materijalima. Na istom načelu, temelji se rad takve instrumente kao kapacitivni senzor za gorivo.
• Za upravljanje opasnim područjima gdje je žica za navijanje slomljena.
• Kontrola sličnih mjesta gdje se transportni remen može oštetiti.
• Kontrola komada proizvedenog tipa proizvoda (rekalkulacija konzervi, boce, pakiranja).

Ne iznenađuje da su ti elektronički uređaji najčešći u preciznom inženjerskom, energetskom i mnogim drugim industrijama različitih senzora.

nagiba

Uređaji koji su postali prevladava samo u relativno posljednjih nekoliko godina su male veličine kapacitivni mjerač nagiba pruža prijenos električne izlazni signal čija magnituda je izravno proporcionalna senzor kuta koristi.

Najčešći od glavnih područja primjene ovih uređaja: platforma sustava poravnanja, određivanje otklona i deformacije raznih vrsta tehničkih greda podrške, kao i preciznu kontrolu ceste, željeznica odstupanja staza u fazi izgradnja.

Osim toga, takvi uređaji koriste odrediti rolu kamiona i drugih vozila, dizala i industrijskih točkovima i utvrditi stupanj kutnog pomaka za poljoprivrednih i industrijskih uređaja posebno velike.

Vrlo važni su kapacitivni senzori razine goriva u naftnoj industriji. Koriste se čak i na supertankera, koji za jedan let prenose desetke i stotine tisuća tona prerađenih naftnih proizvoda. Ovi uređaji su iznimno učinkoviti čak iu uvjetima stvaranja iznimno velikog kondenzata i visokog stupnja prašine u proizvodnoj sobi (isti plinski senzor).

Primjenjuju se u mjerenju apsolutnih i relativnih razina tlaka, kao i debljine dielektričnog materijala, što je iznimno važno u gotovo svim industrijama gdje se koriste stvarno moćni kondenzatori.

Glavne prednosti kapacitivnih senzora

Valja napomenuti da kapacitivni senzor ima puno prednosti ako ga usporedite sa sličnim uređajima koji se izvode prema blago različitim principima. Navedimo glavne prednosti ovih instrumenata:

• U proizvodnji su izuzetno jednostavni. Osim toga, najjednostavniji i najjeftiniji materijali mogu se koristiti u njihovoj proizvodnji. Čak i senzori kapacitivnog goriva koji se koriste u važnim objektima nafte imaju iznimno skromne dimenzije i imaju najmanju moguću razinu potrošnje električne energije. Uz sve te karakteristike odlikuju se izvrsnom razinom osjetljivosti, što je često nedostižno za skuplje uređaje.
• U principu, možete napraviti kapacitivni senzor sebe, koristeći kao osnova više ili manje pouzdan i kvalitetan industrijski kondenzator.
• Oni nemaju kontakte (vrlo rijetko koristi jedan tekući kolektor), što je izuzetno korisno za rad u uvjetima visoke količine prašine i vlage u sobi.
• Životni vijek je iznimno dug, uređaj više puta uspijeva "odmaknuti" svoje niske troškove. Prema tome, kapacitivni senzor (čija je cijena u rasponu od 1200-1700 rubalja) iznimno je isplativo stjecanje.
• Za pomicanje pokretnog dijela uređaja, potrebno je iznenađujuće malo napora.
• Uređaj je vrlo lako kombinirati sa gotovo svim kategorijama opreme koja se koristi samo u industrijskim aktivnostima.

Negativni trenuci

Nažalost, svaki kapacitivni senzor ima određene nedostatke, koji u određenoj mjeri ometaju široku primjenu ove vrste opreme. Navedimo ih detaljnije:

• Faktor konverzije (tj. Prijenos) je relativno nizak.
• Mala veličina i jednostavnost dizajna doprinose činjenici da postoje vrlo visoke zahtjeve za kvalitetom uređaja za screening.
• Dobar senzor kapacitivne razine (i drugi slični mjerni uređaji) može djelotvorno djelovati samo na frekvenciji znatno višoj od standardne vrijednosti od 50 Hz.

Važne napomene

Međutim, sve nije tako loše. Mnogi proizvođači postižu izvrsne karakteristike probira senzora tako što čine minimalne promjene u njihovom dizajnu. Što se tiče učestalosti korištenja, u praksi oni pokazuju odlične rezultate pri širokoj industrijskoj vrijednosti od 400 Hz.

Već smo govorili o valjanosti osnovne formule samo ako se zanemari marginalni učinak. No, korisno je znati da ona stvarno može imati negativan učinak samo ako je udaljenost između ploča dielektrične usporedive s vlastitim dimenzijama. Osim toga, negativni učinak može se uglavnom izravnati jednostavnim korištenjem zaštitnog prstena. U tom slučaju, raspon učinka učinka može se prenijeti daleko iznad korištene ploče.

Još jednom napominjemo da se isti senzori tlaka razlikuju po izuzetnoj jednostavnosti, koja vam omogućuje stvaranje čudesne, izdržljive i jeftine dizajne. Ako pravilno odaberete geometrijske dimenzije upotrijebljene dielektrici, ne možete se brinuti o materijalima koji se koriste pri proizvodnji takvog kondenzatora.

Dakle, ispravno branje gore metalni pečat za proizvodnju kućišta senzora, to je praktički zanemarive ni jake promjene temperature koja bi mogla dovesti do promjene u kapacitetu uređaja i njegovih neodgovarajućih čitanja. Naravno, to ne eliminira potrebu pažljivog izoliranja senzora tlaka i drugih sličnih pokazatelja iz agresivnih čimbenika okoliša. Unatoč svojoj jednostavnosti, visoka vlažnost i visoke razine zračenja mogu negativno utjecati na pouzdanost uređaja.

Razvrstavanje senzora

Metode njihove proizvodnje u industriji omogućuju podjelu svih proizvedenih tipova senzora u dvije velike skupine: jedno uzorak i dva uzorkovanja. Potonja sorta je podijeljena na diferencijalne i polu-diferencijalne. Detaljnije ćemo ih ispitati.

Jednokratni uređaj. U ovom slučaju, kapacitivni krugovi senzora su jednostavni do ekstremnih, jer je najčešći dio najčešći kondenzator s promjenjivim kapacitetom. Nažalost, čak i malo povećana vlažnost i temperatura imaju vrlo opipljiv učinak na točnost očitanja. Zbog toga često postoje razne neispravnosti senzora. Da bi se razina veličine takvih pogrešaka morala koristiti diferencirane konstrukcije.

Dvosmjerni senzor. Zapravo, on je takva diferencirana struktura. Vrlo često možete pronaći kapacitivni senzor razine, proizveden točno prema ovoj shemi. Ovi su uređaji pošteđeni od glavnih nedostataka prethodnog modela, ali imaju svoje slabosti. Njihov najznačajniji nedostatak je potreba za uporabom dviju ili tri zaštićene žice između samog uređaja i površine, jer samo na taj način mogu se potisnuti takozvani parazitski kapaciteti.

Međutim, za vrlo složene sheme kapacitivnih senzora u ovom slučaju to je lako nemoj obratiti pozornost, jer zauzvrat dobivate izuzetno precizan i osjetljiv instrument.

Specifičnost projektiranja senzora

U mnogim slučajevima (s gledišta dizajna) stvaranje takvih uređaja je vrlo problematično. To je osobito istinito kada je potrebno stvoriti senzor s promjenjivom razinom kapaciteta. Međutim, praksa pokazuje da su mnogi problemi gotovo potpuno riješeni točnim kalibriranjem i visokim karakteristikama materijala koji se koriste u proizvodnji. Najčešće se te poteškoće suočavaju s proizvođačima dvosensorskih senzora.

Općenito, specifičnosti ove vrste mjerni instrumenti leži u činjenici da se oni mogu prikazati u obliku bezdimenzionalnog omjera dviju fizičkih veličina (kapaciteta) koje imaju precizan fizički izraz i značenje. Tako se mogu nazvati "senzori blizine". Prednost tih uređaja (njihov veliki plus!) Je li to obično nemaju nikakvih referentnih mjera u njihovom dizajnu, što poboljšava njihovu pouzdanost u stvarno ekstremnim situacijama i uvjetima.

Karakteristike senzora linearnih pomaka

Sve neelektrične količine, koje se često zahtijevaju da se kontroliraju u industrijskim uvjetima, izuzetno su raznolike i višestruke. Značajan dio mjera koji podliježu strogoj kontroli su kutni i ravnomjerni pomak različitih vrsta površina u prostoru. Ako koristimo kondenzator koji ima apsolutno ravnomjerno električno polje u radnom rasporu, onda nije tako teško napraviti elektronske senzore sljedećih dviju vrsta:

• U kojem će područje elektroda biti varijabilno.
• Oni koji imaju promjenjivu razmaku između ovih elektroda.

Lako je razumjeti da je prvi tip je najpogodniji za učvršćivanje stvarno veliki pokret, dok koristite druge razne može uočiti čak i neki pokret tijela u prostoru, vrijednost koja je jednaka samo nekoliko mikrona!

Senzori za kutno pomicanje

Općenito, po dizajnu i svrsi, gotovo su potpuno identični tipu koji se upravo razmatra. Sličnost se očituje u činjenici da se senzori s promjenjivom površinom elektroda također trebaju koristiti za velika mjerenja i s promjenljivom udaljenost između samih elektroda za male. U pravilu, takvi uređaji su napravljeni od više sloja, uz mogućnost mijenjanja područja kondenzatorskih ploča.

Da bi se to postiglo, prve elektrode pričvršćen na pokretne osovine u rotaciji što ona mijenja svoj položaj u odnosu na druge području promjena koje pruža preklapanje izolacijskog materijala ploča u kondenzator. Naravno, u isto vrijeme promjena kapacitivnosti je fiksna.

nalazi

Zato smo ispitali osnovne značajke uređaja na ovoj razini, saznali o područjima njihove primjene, svojstvima dizajna, načelu djelovanja i mogućim tehničkim rješenjima. Kao što ste mogli razumjeti iz članka, učestalost kapacitivnih senzora i njihova iznimno velika popularnost temelje se na vrlo atraktivnoj cijeni takvih uređaja i dugotrajnom životnom vijeku čak iu teškim uvjetima okoline.

Sve je to moguće s obzirom na to da su s konstruktivne točke gledišta svi ovi mjerni uređaji samo standardni kondenzatori, koji se karakteriziraju pomalo neobičnim načinom njihova korištenja. Međutim, vi to možete otkriti ponovnim gledanjem matematičkih formula koje općenito govore o načelima rada instrumentacije.