Ємнісні датчики

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

Області застосування ємнісних датчиків

Ймовірні області впровадження ємнісних датчиків дуже різноманітні. Вони вживаються в системах регулювання і управління виробничими процесами практично у всіх галузях промисловості. Ємнісні датчики використовуються для контролю наповнення резервуарів рідким, Пиловидний або зернистим речовиною, як кінцеві вимикачі на автоматичних лініях, конвеєрах, ботах, обробних центрах, верстатах, в системах сигналізації, для позиціонування різних пристроїв і т. Д.

В даний час найбільш широкого розповсюдження набули датчики наближення (присутності), які крім власної надійності, мають широкий ряд переваг. Маючи порівняно низьку вартість, датчики наближення охоплюють великий діапазон спрямованості за власним застосування у всіх галузях промисловості. Звичайними областями використання ємнісних датчиків цього типу є:

• сигналізація наповнення ємностей із пластику або скла-

• контроль рівня наповнення прозорих упаковок-

• сигналізація обриву обмоточного Проводу-

• регулювання натягу стрічки-

• поштучний рахунок будь-якого виду та ін.

Ємнісні датчики лінійних і кутових переміщень є найбільш поширеними пристроями, широко вживаними в машинобудуванні і на транспорті, будівництві та енергетиці, в різних вимірювальних комплексах.

Порівняно новими пристроями, доведеними до широкого промислового впровадження в останні роки, стали компактні ємнісні інклінометри з електронним вихідним сигналом, пропорційним куту нахилу датчика .. В якості головних можна вважати наступні області впровадження інклінометров: впровадження в системах горизонтирования платформ, визначення величини прогинів і деформацій різного роду опор і балок, контроль кутів нахилу автомобільних і залізних доріг при їх будівництві, ремонті та експлуатації, визначення нахилу автомобілів, кораб лей і підводних роботів, підйомників і кранів, екскаваторів, сільськогосподарських машин, визначення кутового переміщення різного роду крутяться об`єктів - валів, коліс, пристроїв редукторів як на стаціонарних, так і рухомих об`єктах.

Ємнісні датчики рівня знаходять застосування в системах контролю, регулювання та управління виробничими процесами в харчовій, лікарської, хім, нафтопереробної промисловості. Вони ефективні при роботі з рідинами, сипучими матеріалами, пульпою, в`язкими субстанціями (які проводять і непроводящими), також в умовах утворення конденсату, запиленості.

Ємнісні датчики також знаходять застосування в різних галузях промисловості для вимірювання абсолютного і надлишкового тиску, товщини діелектричних матеріалів, вологості повітря, деформації, кутових і лінійних прискорень і ін.

Переваги ємнісних датчиків в порівнянні з датчиками інших типів

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

• простота виробництва, впровадження дешевих матеріалів для виробництва-- малі габарити і вага-- низьке споживання енергії-- найвища чувствітельность-

• 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 конструкціям-

Недоліки ємнісних датчиків

До недоліків ємнісних датчиків слід віднести:

• порівняно низький коефіцієнт передачі (перетворення) -

• найвищі вимоги до екранування деталей-

• необхідність роботи на підвищеній (у порівнянні з 50 Гц) частоте-

Однак у більшості випадків можна досягти достатньої екранування за рахунок конструкції датчика, а практика показує, що ємнісні датчики дають відмінні результати на широко поширеною частоті 400 Гц. Властивий конденсаторів крайової ефект стає значущим, тільки коли відстань між обкладинками можна порівняти з лінійними розмірами розглянутих поверхонь. Цей ефект можна в деякій мірі прибрати, використовую захисне кільце, що дозволяє винести його вплив за межі поверхні обкладок, реально застосовується при вимірюванні.

Ємнісні датчики чудові своєю простотою, що дозволяє створювати міцні і надійні конструкції. Характеристики конденсатора залежать тільки від геометричних рис і не залежать від параметрів застосовуваних матеріалів, якщо ці матеріали вірно підібрані. Отже, можна зробити пренебрежимо вплив температури на конфігурації площі поверхні і відстані між обкладинками, вірно підбираючи марку металу для обкладок і ізоляцію для їх кріплення. Залишається тільки захищати датчик від тих причин середовища, які можуть погіршити ізоляцію між обкладинками, - від пилу, корозії, вологості, іонізуючої радіації.

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

Типи ємнісних перетворювачів і їх конструктивні особливості

Зазвичай ємнісний датчик являє собою тонкий або циліндричний конденсатор, одна з обкладок якого відчуває подвергаемое контролю переміщення, викликаючи зміну ємності. Нехтуючи крайовими ефектами, можна висловити ємність для плоского конденсатора наступним чином:

де ε - відносна діелектрична проникність середовища, укладеної між обкладинками, S і d - площа поверхні розглянутих обкладок і відстань між ними відповідно.

Ємнісні перетворювачі можуть бути застосовані при вимірюванні різних величин за трьома напрямками залежно від багатофункціональної зв`язку вимірюваної неелектричної величини з наступними параметрами:

• змінної діелектричної проникністю середовища ε-

• площею перекриття обкладок S;

• мінливих відстанню між обкладками d.

У першому випадку ємнісні перетворювачі можна використовувати для аналізу складу речовини, так як діелектрична проникність є функцією параметрів речовини. При цьому природною вхідний величиною перетворювача буде склад речовини, що заповнює простір між пластинами. Особливо широко ємнісні перетворювачі цього типу використовуються при вимірюванні вологості жорстких і рідких тіл, рівня води, а так само визначення геометричних розмірів маленьких об`єктів. У більшості випадків практичного використання ємнісних перетворювачів їхньому природному вхідний величиною є геометричне переміщення електродів відносно один одного. На базі цього принципу побудовані датчики лінійних і кутових переміщень, прилади вимірювання зусиль, вібрацій, швидкості і прискорення, датчики наближення, тиску і деформації (екстензометри).

Систематизація ємнісних датчиків

За методом виконання все ємнісні вимірювальні перетворювачі можна поділити 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 істотний вплив зовнішніх причин, таких як вологість і температура. Для компенсації позначених похибок використовують диференціальні конструкції. Недоліком таких датчиків в порівнянні з одноемкостнимі є необхідність як мінімум 3-х (замість 2-ух) екранованих сполучних проводів між датчиком і вимірювальним пристроєм для пригнічення так званих паразитних ємностей. Але цей недолік окупається значним збільшенням точності, стабільності і розширенням сфери застосування таких пристроїв.

У деяких випадках диференційний ємнісний датчик зробити проблемно по конструкторським суджень (особливо це відноситься до диференціальних датчикам зі змінним зазором). Але якщо і при цьому приблизний конденсатор розташувати в одному корпусі з робочим, виконати їх по можливості схожими за конструкцією, розмірами, використовуваних матеріалів, то буде забезпечена істотно найменша чутливість всього пристрою до зовнішніх дестабілізуючих впливів. У таких випадках можна говорити про полудіфференціальном місткості датчику, який, як і диференційний, відноситься до двух`емкостним.

Специфічність вихідного параметра двух`емкостних датчиків, який представляється як безрозмірне співвідношення 2-ух розмірних фізичних величин (в нашому випадку - ємностей), дає підставу називати їх датчиками справи. При використанні двух`емкостних датчиків вимірювальний пристрій може взагалі не містити зразкових мір ємності, що сприяє підвищенню точності вимірювання.

Датчики лінійних переміщень

Неелектричні величини, що підлягають вимірюванню та контролю, дуже численні і різноманітні. Значну їх частину складають лінійні і кутові переміщення. На базі конденсатора, у якого електронне поле в робочому зазорі помірно, можуть бути зроблені конструкції ємнісних датчиків переміщення 2-ух головних типів:

• зі змінною площею електродов-

• зі змінним зазором між електродами.

Досить очевидно, що 1-і більш комфортні для вимірювання величезних переміщень (одиниці, 10-ки і сотки мм), а 2-і - для вимірювання малих і надмалих переміщень (частки мм, мікрометри та найменш).

Датчики кутових переміщень

Ємнісні вимірювальні перетворювачі кутових переміщень подібні за принципом дії ємнісним датчикам лінійних переміщень, при цьому 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 вживають багатосекційні перетворювачі зі змінною площею обкладок конденсатора.

У таких датчиках один з електродів конденсатора кріпиться до валу об`єкта, і при обертанні зсувається щодо недвижного, змінюючи площу перекриття пластинок конденсатора. Це в свою чергу викликає зміна ємності, що фіксується вимірювальної схемою.

інклінометри

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

Пристрій ємнісного інклінометра

Капсула складається з підкладки з 2-ма 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 фактично не змінює показання в інший (неробочий) площині, при цьому його сигнал слабо залежить від зміни температури. Для визначення положення площини в просторі вживається два, розташованих під кутом 90 ° один до одного інклінометра.

Компактні інклінометри з електронним вихідним сигналом, пропорційним куту нахилу датчика, є порівняно новими пристроями. Їх найвища точність, маленькі розміри, відсутність рухомих механічних вузлів, простота кріплення на об`єкті і низька ціна роблять доцільним використовувати їх не тільки в якості датчиків нахилу, та й підміняти ними кутові датчики, при цьому не тільки лише на стаціонарних, так і на рухомих об`єктах.

Ємнісні датчики рівня води

Ємнісний перетворювач для вимірювання рівня непроводящей води являє собою два паралельно з`єднаних конденсатора

датчики тиску

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

Такий датчик складається із залізної осередки, розбитою на дві частини туго натягнутою плоскою залізної діафрагмою, з одного боку якої розміщений 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 2-ма нерухомими пластинами в одну з 2-ух камер подається опорний тиск, що забезпечує пряме вимірювання диференційного (зайвого або різницевого) тиску з меншою похибкою.