Съвременната индустрия и ежедневната човешка дейност също не могат да се представят без всякакви електронни устройства. Те ни помагат във всичко, а някои технологични операции изобщо не могат да се извършват без тях. Капацитивният сензор също трябва да бъде отнесен към такива "асистанти".
Това е името на преобразувателите, направени според параметричния тип. Измерването на определен обем с такива устройства се извършва поради колебания в капацитета при промяна на някои важни параметри. Просто казано, промяната в капацитета на кондензатора се оценява под влияние на някои външни фактори.
Как работи капацитивен сензор
Ето какво представляват капацитивните сензори. Принципът на тяхната работа не е толкова сложен, но за да го разберете, трябва да знаете нещо. Първо, нека си припомним принципа на определяне на капацитета на кондензатор. Това действие се изразява със следната формула:
С=εεₒS/δ.
Този израз е познат на мнозина от училищния курс по физика, но няма да навреди да освежите паметта си и да запомните какво означава всяка от променливите:
- S е площта на плочата на кондензатора.
- Ε е относителната пропускливост на диелектричния материал, използван при конструкцията на кондензатора.
- εₒ - така е обичайно във физиката да се обозначава проницаемостта на вакуум.
- δ - или дебелината на диелектричната плоча, или разстоянието между няколко слоя материал.
По този начин от горната формула следва, че е лесно да промените капацитета на кондензатора. Достатъчно е по някакъв начин да се въздейства върху площта на плочата на диелектричния материал, върху разстоянието между плочите или директно върху пропускливостта на материала, използван при производството. Съответно, изборът на конкретна стойност зависи единствено от списъка със задачи, които дизайнерите поставят за устройството.
По този начин можете дори да направите капацитивен сензор със собствените си ръце, тъй като от конструктивна гледна точка това е обикновен плосък или цилиндричен кондензатор, една от плочите на който постоянно изпитва контролирано движение в пространството, което води до промяна в капацитета. Имайте предвид, че горната формула е вярна само ако напълно пренебрегнете крайните ефекти. Ще говорим повече за това в последната част на нашата статия.
Трябва да знаете, че този вид електронни устройства се използват интензивно за измерване на ъглови и линейни движения на обекти, изчисляване на размера, приложената работа, влажност, концентрация на активното вещество и други характеристики. Що се отнася до конструктивната страна на въпроса,споменатата апаратура е направена плоскопаралелно, в цилиндрични корпуси, с щифтови електроди, с уплътнение от диелектричен материал и изобщо без него.
Ето как работят капацитивните сензори. Принципът на действие на някои от тях трябва да се познава особено подробно. В тази статия ще предоставим няколко формули, които може да ви бъдат полезни.
Формули за описание на принципа на действие на някои видове сензори
Сензор за ниво с възможна промяна в областта на диелектричните плочи може доста лесно да бъде описан със следното уравнение:
С=εεₒаХ/δ.
Под "X" в този случай се отнася до дължината на припокриването на използваните електроди. Съответно, "a" означава ширината на плочите на самия кондензатор. Трябва да се отбележи, че подобни устройства са намерили своето приложение в различни области на индустрията, където се използват за най-точно измерване на ъглови величини. Капацитетът на преобразувателя в този случай се намира чрез следния израз:
С=εεₒ(r₂- r₁)/2δ(φₒ-φ).
За да се измери точно чувствителността, трябва да се използва малко по-различна формула:
K=εεₒ(r₂- r₁)/2δ.
Нека да разберем какво се има предвид под променливите, които са част от тези уравнения:
- r₁ - вътрешен радиус на плочата на кондензатора;
- r₂ - външен радиус на същата плоча;
- φ – текущо измерена (текуща) стойност на ъгъла на припокриване;
- φₒ - начална стойност на ъгъла на припокриване.
Накрая, нека анализираме математическия израз, който описва принципа на работа на капацитивен измервателен уред с променлива въздушна междина:
C=εεₒS/(δₒ-X).
Не е трудно да се отгатне, че δₒ се отнася до първичната празнина, докато буквата X обозначава размера на изместване на плочата. Забележка! Тъй като статичните характеристики са чисто нелинейни, този тип сензор за ниво обикновено се използва за измерване на изключително малки премествания, чиято стойност не надвишава 0,1δₒ. Естествено, тези устройства са много търсени в прецизното инженерство, където дори по-малка грешка може да доведе до доста сериозни проблеми.
Къде могат да се използват?
Сферите на тяхното възможно приложение са изключително разнообразни. Така че в почти всички индустрии можете да намерите операции, които се контролират от тези устройства. Използват се за контрол на пълненето на различни резервоари, като съдържанието им може да бъде течно, насипно или газообразно (газов сензор).
Тяхното разпространение в индустрията и обикновените човешки производствени дейности е толкова по-високо, колкото по-надежден и по-опростен е дизайнът на такива устройства. Заедно тези характеристики са толкова добри, че могат да се използват дори в невероятно агресивните условия на трюмовете на петролни танкери.
В допълнение, капацитивният сензор може да се използва като краен превключвател на конвейерна линия или машинапроизводствен цех. Също така е необходимо за най-точното позициониране на различни механизми.
Сензори за близост
Но в момента сензорите за близост, които са направени по абсолютно същия принцип, са особено търсени. Обхватът на тяхното използване е още по-широк. Това се дължи на ценовата цена на устройствата и възможността за работа в почти всички видове индустрия. Въпреки това, има типични индустрии, в които устройствата от този тип са най-търсени:
- Контрол върху пълненето на прозрачни пластмасови или стъклени съдове с течност.
- Подобна функция изпълняват и при производството на хранителни продукти (включително и детски), където готовият продукт се опакова в съдове от прозрачни материали. Работата на такова оборудване като капацитивен сензор за гориво се основава на същия принцип.
- За контролиране на опасни зони, където е възможно счупване на намотка.
- Наблюдение на подобни места, където конвейерната лента може да се повреди.
- Контрол на парче по парче на вида произвеждан продукт (броене на кутии, бутилки, опаковки).
Нищо чудно, че тези електронни устройства са най-разпространеният тип сензори в прецизното инженерство, енергетиката и много други индустрии.
Инклинометри
Инструменти, които станаха относително разпространени едва през последните години, са малки капацитивни инклинометри, които осигуряват електрически изходен сигнал, чийто размер е право пропорционален на ъгъла на наклон на използвания сензор.
Повечетообщи основни области на използване на тези устройства: системи за нивелиране на платформата, определяне на отклонението и техническата деформация на различни видове опорни греди, както и най-точен контрол на наклона на автомобилни и железопътни релси още на етапа на тяхното изграждане.
Освен това с помощта на такива устройства те определят ролката на тежкотоварни и други превозни средства, асансьори и индустриални багери, а също така установяват степента на ъглово изместване по отношение на селскостопански и промишлени машини с изключително големи размери размер.
Капацитивните сензори за ниво на горивото са много важни в петролната индустрия. Използват се дори на супертанкери, които превозват десетки и стотици хиляди тонове преработени нефтопродукти за едно пътуване. Тези устройства са изключително ефективни дори в условия на изключително обилно образуване на кондензат и висока степен на запрашеност в производственото помещение (същият газов сензор).
Те намират своето приложение и при измерване на величината на абсолютните и относителните нива на налягане, както и дебелината на диелектричния материал, което е изключително важно в почти всички индустрии, където се използват наистина мощни кондензатори.
Основни предимства на капацитивните сензори
Трябва да се отбележи, че капацитивният сензор има много предимства в сравнение с подобни устройства, които са направени по малко по-различни принципи. Нека изброим основните предимства на тези KPI:
- В производство теизключително просто. Освен това при производството им могат да се използват най-простите и евтини материали. Дори капацитивните сензори за ниво на горивото, използвани във важни съоръжения на петролната индустрия, имат изключително скромни размери и имат възможно най-ниското ниво на консумация на електрическа енергия. С всички тези характеристики те се отличават с отлично ниво на чувствителност, което често е недостижимо за по-скъпи устройства.
- По принцип можете да направите капацитивен сензор със собствените си ръце, като използвате всеки повече или по-малко надежден и висококачествен индустриален кондензатор за основа.
- Те нямат контакти (един токоприемник се използва много рядко), което е изключително полезно за работа в условия на висока запрашеност и влажност в помещението.
- Срокът на експлоатация е изключително дълъг, устройството многократно успява да "улови" ниската си цена. Съответно, капацитивен сензор (цената на който е в диапазона от 1200-1700 рубли) е изключително изгодна покупка.
- Необходими са изненадващо малко усилия, за да преместите подвижната част на инструмента.
- Уредът е много лесен за комбиниране с почти всички категории оборудване, което се използва само в промишлени дейности.
Отрицателни точки
За съжаление всеки капацитивен сензор има определени недостатъци, които по един или друг начин затрудняват използването на този тип оборудване навсякъде. Нека ги изброим по-подробно:
- Коефициентът на преобразуване (тоест предаване) е сравнителенниско.
- Малкият размер и простотата на дизайна допринасят за това, че се предявяват доста високи изисквания към качеството на екраниращите устройства.
- Добрият капацитивен сензор за ниво (и други подобни измервателни устройства) може да работи ефективно само при честота, много по-висока от стандартната стойност от 50 Hz.
Важни бележки
Не всичко е лошо обаче. Много производители постигат отлични характеристики на екраниране на сензори с минимални промени в дизайна. Що се отнася до честотата на използване, на практика те показват отлични резултати при стойност от 400 Hz, която се използва широко в индустрията.
Вече говорихме за коректността на основната формула само ако се игнорира ефектът на ръба. Но в същото време е полезно да се знае, че наистина може да има отрицателен ефект само ако разстоянието между диелектричните плочи е сравнимо с техните собствени размери. В допълнение, негативният ефект може да бъде до голяма степен изравнен чрез просто използване на защитен пръстен. В този случай границите на влиянието на ефекта могат да бъдат преместени далеч отвъд границите на приложените наслагвания.
Отново същите сензори за налягане са забележителни със своята забележителна простота, която прави възможно създаването на изненадващо стабилни, издръжливи и евтини дизайни. Ако изберете правилните геометрични размери на използвания диелектрик, тогава не е нужно да се притеснявате твърде много за материалите, използвани при производството на такъв кондензатор.
По този начин, като се избере подходящ метал за производството на корпуса на сензора, на практика може да се пренебрегне дори силни температурни колебания, които биха могли да доведат до промяна в капацитета на устройството и неадекватност на неговите показания. Разбира се, това изобщо не премахва необходимостта от изолиране на сензори за налягане и други подобни индикатори възможно най-внимателно от агресивните фактори на околната среда. Въпреки своята простота, високата влажност и високите нива на радиация могат да окажат изключително негативно влияние върху надеждността на устройството.
Класификация на сензорите
Методите на тяхното производство, използвани в индустрията, позволяват да се разделят всички произведени видове сензори на две големи групи: с единичен капацитет и с двоен капацитет. Последната разновидност се подразделя на диференциална и полудиференциална. Нека ги разгледаме по-подробно.
Устройство с единичен капацитет. В този случай схемите на капацитивните сензори са изключително прости, тъй като основната им част е най-често срещаният променлив кондензатор. За съжаление, дори леко повишената влажност и температура имат много забележим ефект върху точността на показанията. Поради това често възникват различни неизправности на сензорите. За да се изравни големината на такива грешки, е необходимо да се използват диференцирани структури.
Сензор с двоен капацитет. Всъщност той е толкова диференцирана структура. Много често можете да намерите капацитивен сензор за ниво, направен точно по тази схема. Тези устройства са пощадени от основните недостатъци на предишния модел, но имат своите слабости.страни. Най-същественият им недостатък е необходимостта да се използват два или три екранирани проводника между самото устройство и повърхността, тъй като това е единственият начин за потискане на така наречените паразитни капацитети.
В този случай е лесно да се игнорират доста сложните капацитивни сензорни вериги, тъй като в замяна получавате изключително точно и чувствително устройство.
Специален дизайн на сензори
В много случаи (от гледна точка на дизайна) създаването на такива устройства е доста проблематично. Това е особено вярно, когато е необходимо да се създаде сензор с променливо ниво на капацитет. Практиката обаче показва, че много проблеми се решават почти напълно чрез точно калибриране и висока производителност на материалите, използвани в производството. Производителите на сензори с двоен капацитет често се сблъскват с тези трудности.
Като цяло спецификата на този тип измервателни уреди се крие във факта, че те могат да бъдат представени като безразмерно съотношение на две физически величини (капацитивности), които имат точен физически израз и стойност. Така че те спокойно могат да бъдат наречени "датчици за отношение". Предимството на тези устройства (огромен плюс!) е, че може да нямат никакви референтни мерки в дизайна си, което значително повишава тяхната надеждност в наистина екстремни ситуации и условия.
Характеристики на сензорите за линейно изместване
Всички неелектрически количества, коиточесто се изисква да бъдат контролирани в промишлени условия, са изключително разнообразни и многостранни. Значителна част от мерките, които подлежат на строг контрол, са ъглови и дори линейни премествания на различни видове повърхности в пространството. Ако използвате кондензатор, който има абсолютно равномерно електрическо поле в работния процеп, тогава не е толкова трудно да направите електронни сензори от следните два вида:
- Коя площ на електрода ще бъде променлива.
- Тези, които имат променлива междина между тези електроди.
Лесно е да се разбере, че първият тип е най-подходящ за фиксиране на наистина големи движения, докато използвайки втория тип, можете дори да забележите такива движения на тялото в пространството, чийто размер е само няколко микрона !
Сензори за определяне на ъглови премествания
Като цяло, по отношение на дизайна и предназначението, те са почти напълно идентични с типа, който току-що разгледахме. Приликата се проявява и във факта, че сензори с променлива площ на електродите също трябва да се използват за големи измервания, а с променливо разстояние между самите електроди - за малки. По правило такива устройства се правят многосекционни, с възможност за промяна на площта на кондензаторните плочи.
За да се постигне това, първият електрод е прикрепен към подвижен вал, по време на чието въртене той променя позицията си спрямо втория, което осигурява промяна в областта на припокриване на диелектричните плочи в кондензатор. Естествено, в този случай промяната в капацитета е фиксирана.
Заключения
И така, ние разгледахме основните характеристики на устройствата от това ниво, научихме за техните области на приложение, конструктивни характеристики, принципи на работа и възможни технически решения. Както можете да разберете от статията, разпространението на капацитивните сензори и тяхната изключително висока популярност се основават на много атрактивната цена на такива устройства и дългия им експлоатационен живот дори при трудни условия на околната среда.
Всичко това е възможно благодарение на факта, че от конструктивна гледна точка всички тези измервателни уреди са просто стандартни кондензатори, които се характеризират с малко необичаен начин на тяхното използване. Можете обаче да разберете сами, като разгледате отново математическите формули, които в общи линии отразяват принципите на действие на инструментите.
