Kapacitní senzory

Kapacitní snímač se nazývá parametrický typ převodníku, kde se změna měřené hodnoty převádí na změnu kapacity.

Aplikace kapacitních senzorů

Možnosti použití kapacitních senzorů jsou velmi rozmanité. Používají se v regulaci průmyslových procesů a řídicích systémech téměř ve všech průmyslových odvětvích. Kapacitní snímače se používají pro řízení plnění nádrží kapalnými, práškovými nebo granulovanými látkami, jako jsou koncové spínače na automatizovaných linkách, dopravnících, robotech, obráběcích centrech, obráběcích strojích, v signalizačních systémech, pro polohování různých mechanismů atd.

V současnosti jsou nejrozšířenější senzory přiblížení (přítomnosti), které mají kromě spolehlivosti i celou řadu výhod. S relativně nízkou cenou pokrývají senzory přiblížení široký rozsah směrovosti při jejich použití ve všech průmyslových odvětvích. Typické oblasti použití kapacitních snímačů tohoto typu jsou:

• signalizace pro plnění plastových nebo skleněných nádob;

• kontrola úrovně naplnění průhledných obalů;

• alarm prasknutí cívky;

• nastavení napnutí řemene;

• částečný účet jakéhokoli druhu atd.

Kapacitní lineární a úhlové enkodéry jsou nejběžnější zařízení, široce používaná ve strojírenství a dopravě, stavebnictví a energetice, v různých měřicích komplexech.

Poměrně novými zařízeními, která se v posledních letech rozšířila do průmyslového využití, se staly malé kapacitní sklonoměry s elektrickým výstupním signálem úměrným úhlu sklonu snímače…. Za hlavní lze považovat tyto oblasti použití sklonoměrů: použití v plošinových nivelačních systémech, zjišťování odchylek a deformací různých typů podpěr a nosníků, kontrola úhlů náklonu silnic a železnic při jejich výstavbě, opravách a provozu, určování odchylek a deformací různých typů podpěr a nosníků, řízení úhlů sklonu silnic a železnic při jejich výstavbě, opravách a provozu. určování náklonu automobilů, lodí a podvodních robotů, kladkostrojů a jeřábů, bagrů, zemědělských strojů, určování úhlového posunutí různých druhů rotujících objektů - hřídele, kola, převodové mechanismy na stacionárních i pohyblivých objektech.

Kapacitní hladinové snímače se používají v řídicích systémech, regulaci a řízení výrobních procesů v potravinářském, farmaceutickém, chemickém, ropném průmyslu. Jsou účinné při práci s kapalinami, sypkými materiály, suspenzemi, viskózními látkami (vodivými i nevodivými), dále v podmínkách kondenzace, prašnosti.

Kapacitní senzory se také používají v různých průmyslových odvětvích k měření absolutního a přetlakového tlaku, tloušťky dielektrických materiálů, vlhkosti vzduchu, deformace, úhlových a lineárních zrychlení atd.

Výhody kapacitních snímačů oproti jiným typům snímačů

Kapacitní senzory nabízejí oproti jiným typům senzorů řadu výhod. Mezi jejich výhody patří:

• jednoduchost výroby, použití levných materiálů pro výrobu; — malé rozměry a hmotnost; — nízká spotřeba energie; - vysoká citlivost;

• nedostatek kontaktů (v některých případech — jeden sběrač proudu);

• dlouhá životnost;

• potřeba velmi malých sil k pohybu pohyblivé části kapacitního snímače;

• snadné přizpůsobení tvaru snímače různým úkolům a konstrukcím;

Nevýhody kapacitních snímačů

Mezi nevýhody kapacitních snímačů patří:

• relativně malý převodní (konverzní) koeficient;

• vysoké požadavky na stínící části;

• nutnost pracovat na vyšší (ve srovnání s 50 Hz) frekvenci;

Ve většině případů však lze díky konstrukci snímače dosáhnout dostatečného stínění a praxe ukazuje, že kapacitní snímače dávají dobré výsledky při hojně používané frekvenci 400 Hz. Vlastní kondenzátory okrajový efekt se stane významným pouze tehdy, když je vzdálenost mezi deskami srovnatelná s lineárními rozměry uvažovaných ploch. Tento efekt lze do určité míry eliminovat pomocí ochranného kroužku, který umožňuje posunout jeho vliv za hranice povrchu skutečně použitých k měření.

Kapacitní snímače jsou pozoruhodné svou jednoduchostí, která umožňuje robustní a spolehlivou konstrukci. Parametry kondenzátoru závisí pouze na geometrických charakteristikách a nezávisí na vlastnostech použitých materiálů, pokud jsou tyto materiály správně vybrány. Proto může být vliv teploty na povrchové změny a rozteč desek zanedbatelně malý volbou vhodné třídy kovu pro desky a izolace pro jejich připevnění. Zbývá pouze chránit snímač před těmi faktory prostředí, které mohou zhoršit izolaci mezi deskami - před prachem, korozí, vlhkostí, ionizujícím zářením.

Cenné vlastnosti kapacitních senzorů – malé množství mechanické síly potřebné k pohybu jeho pohyblivé části, schopnost upravit výstup sledovacího systému a vysoká přesnost provozu – činí z kapacitních senzorů nepostradatelné v zařízeních, kde jsou chyby pouze setin a dokonce i jsou povoleny tisíciny procent.

Typy kapacitních měničů a jejich konstrukční vlastnosti

Kapacitní snímač je obvykle plochý nebo válcový kondenzátor, jehož jedna z desek prochází řízeným pohybem, což způsobuje změnu kapacity. Při zanedbání konečných efektů lze kapacitu pro plochý kondenzátor vyjádřit následovně:

kde ε Relativní dielektrická konstanta média uzavřeného mezi deskami, C a e - plocha uvažovaných desek a podle toho vzdálenost mezi nimi.

Kapacitní převodníky lze použít k měření různých veličin ve třech směrech v závislosti na funkčním vztahu měřené neelektrické veličiny s následujícími parametry:

• proměnná dielektrická konstanta média ε;

• překrývající se plocha desek C;

• rozdílná vzdálenost mezi deskami e.

V prvním případě lze k analýze složení látky použít kapacitní převodníky, protože dielektrická konstanta je funkcí vlastností látky. V tomto případě bude přirozenou vstupní hodnotou konvertoru složení látky vyplňující prostor mezi deskami. Kapacitní snímače tohoto typu jsou zvláště široce používány při měření obsahu vlhkosti pevných látek a kapalin, hladiny kapaliny, jakož i při určování geometrických rozměrů malých předmětů. Ve většině případů praktického využití kapacitních měničů je jejich přirozenou vstupní hodnotou geometrický posun elektrod vůči sobě.Na tomto principu jsou vytvořeny snímače lineárního a úhlového posunu, zařízení pro měření sil, vibrací, rychlosti a zrychlení, snímače pro senzory přiblížení, tlaku a napětí (extenzometry).

Klasifikace kapacitních snímačů

Z hlediska implementace lze všechny kapacitní měřicí převodníky rozdělit na jednokapacitní a dvoukapacitní snímače. Posledně jmenované jsou diferenciální a semidiferenciální.

Jediný kapacitní snímač má jednoduchý design a je to jediný proměnný kondenzátor. Mezi jeho nevýhody patří významný vliv vnějších faktorů, jako je vlhkost a teplota.Pro kompenzaci těchto chyb aplikujte diferenční provedení... Nevýhodou takových snímačů oproti jednokapacitním je nutnost minimálně tří (místo dvou) stíněných propojovacích vodičů mezi snímačem a měřicím zařízením pro potlačení tzv. tzv. parazitní kapacity. Tato nevýhoda se však vyplácí výrazným zvýšením přesnosti, stability a rozšířením oblasti použití takových zařízení.

V některých případech je z konstrukčních důvodů obtížné vytvořit diferenciální kapacitní snímač (to platí zejména pro diferenciální snímače s proměnnou mezerou). Pokud je však zároveň ve stejném pouzdře s pracovním umístěn vzorový kondenzátor a jsou co nejvíce totožné designem, rozměry a použitými materiály, pak bude mnohem nižší citlivost celého zařízení na vnější destabilizační vlivy. zajištěno . V takových případech lze hovořit o semidiferenciálním kapacitním snímači, který stejně jako diferenciální označuje dvoukapacitní.

Specifičnost výstupního parametru dvouobjemových snímačů, který je reprezentován jako bezrozměrný poměr dvourozměrných fyzikálních veličin (v našem případě kapacit), dává důvod nazývat je poměrovými snímači. Při použití duálních kapacitních snímačů nemusí měřicí zařízení obsahovat vůbec žádná standardní měření kapacity, což přispívá ke zvýšení přesnosti měření.

Lineární odměřovací snímače

Neelektrických veličin, které mají být měřeny a řízeny, je mnoho a jsou různé. Významnou část z nich tvoří lineární a úhlové posuvy. Na základě kondenzátoru, který elektrické pole V pracovní mezeře lze rovnoměrně vytvořit dva hlavní typy kapacitních snímačů posunutí:

• s proměnnou plochou elektrody;

• s proměnnou mezerou mezi elektrodami.

Je zcela zřejmé, že první jsou vhodnější pro měření velkých posunů (jednotky, desítky a stovky milimetrů) a druhé pro měření malých a ultra malých posunů (části milimetru, mikrometry a méně).

Úhlové kodéry

Kapacitní snímače s úhlovým posuvem jsou v principu podobné jako kapacitní snímače s lineárním posuvem a v případě nepříliš malých rozsahů měření (počínaje jednotkami stupňů) jsou vhodnější i senzory s proměnnou plochou a kapacitní senzory s proměnnou úhlovou mezerou lze úspěšně použít k měření malých a velmi malých úhlových posunů. Typicky se pro úhlové posuny používají vícedílné převodníky s proměnnou plochou kondenzátorové desky.

V takových senzorech je jedna z elektrod kondenzátoru připevněna k hřídeli objektu a během otáčení je posunuta vzhledem ke stacionárnímu, čímž se mění oblast překrytí desek kondenzátoru. To následně způsobí změnu kapacity, kterou zachytí měřicí obvod.

Sklonoměry

Sklonoměr (snímač náklonu) je diferenciální kapacitní snímač náklonu, který obsahuje snímací prvek ve tvaru kapsle.

Kapacitní sklonoměr

Kapsle se skládá ze substrátu se dvěma plochými elektrodami 1, pokrytými izolační vrstvou, a těla 2, hermeticky připevněného k substrátu.Vnitřní dutina těla je částečně vyplněna vodivou kapalinou 3, která je společnou elektrodou citlivý prvek.Společná elektroda tvoří s plochými elektrodami diferenciální kondenzátor. Výstupní signál snímače je úměrný hodnotě kapacity diferenčního kondenzátoru, která je lineárně závislá na poloze pouzdra ve vertikální rovině.

Sklonoměr je konstruován tak, aby měl lineární závislost výstupního signálu na úhlu sklonu v jedné tzv. pracovní rovině a prakticky neměnil odečty v druhé (nepracovní) rovině, přičemž jeho signál je slabě závislý na teplotě. Změny. Pro určení polohy letadla v prostoru se používají dva sklonoměry, umístěné navzájem pod úhlem 90°.

Malé sklonoměry s elektrickým výstupním signálem úměrným úhlu sklonu snímače jsou relativně nová zařízení. Jejich vysoká přesnost, miniaturní velikost, nedostatek pohyblivých mechanických jednotek, snadná instalace na místě a nízká cena činí je vhodné používat nejen jako snímače náklonu, ale také jimi nahradit snímače úhlu, a to nejen stacionární, ale i pohyblivé. objektů.

Kapacitní snímače hladiny kapalin

Kapacitní vysílač pro měření hladiny nevodivé kapaliny se skládá ze dvou paralelně zapojených kondenzátorů

Tlakové senzory

Jednou ze základních konstrukcí kapacitního snímače tlaku je jeden stator, který se používá k měření absolutního tlaku (elektrické tlakové senzory).

Takový snímač se skládá z kovového článku rozděleného na dvě části pevně napnutou plochou kovovou membránou, na jejíž jedné straně je pevná elektroda izolovaná od těla.Membránová elektroda tvoří proměnnou kapacitu, která je součástí měřicího obvodu. Když je tlak na obou stranách membrány stejný, je převodník vyvážený. Změna tlaku v jedné z komor deformuje membránu a mění kapacitu, která je fixována měřicím obvodem.

Ve dvoustanicovém (diferenčním) provedení se membrána pohybuje mezi dvěma pevnými deskami a do jedné ze dvou komor je přiváděn referenční tlak, který zajišťuje přímé měření diferenčního (přebytkového nebo diferenčního) tlaku s nejmenší chybou.