Sensor capacitiu: aparell i principi de funcionament. Els sensors capacitius: aplicació

La indústria moderna, i les activitats humanes humanes quotidianes, també, és impossible d'imaginar sense tot tipus de dispositius electrònics. Ells ens ajuden en tots els sentits, i algunes operacions de fabricació per dur a terme no té èxit sense ells. Per a aquests "ajudants" ha d'incloure també un sensor capacitiu.

Els anomenats convertidors fetes per tipus paramètric. El mesurament d'un volum de tals dispositius es realitza a través de variacions de capacitància quan es canvia d'alguns paràmetres importants. En poques paraules, el canvi estimat en la capacitància sota la influència d'alguns factors externs.

El principi de funcionament del sensor capacitiu

Això és el que els sensors capacitius. El principi de funcionament que no són tan difícils, però per entendre que el que necessita saber alguna cosa. Per començar recordem el principi de la determinació de la capacitat del condensador. Aquesta acció s'expressa per la següent fórmula:

C = εεₒS / δ.

Aquesta expressió se sap que molts d'ells del curs de física de l'escola, però no estaria de més per refrescar la memòria i el record, el que significa cadascuna de les variables:

• S - àrea de les plaques del condensador.
• I - permitivitat relativa del material dielèctric utilitzat en el disseny de condensadors.
• εₒ - com en la física per denotar permitivitat de l'espai lliure.
• δ - pel que es pot designar o el gruix de la placa dielèctrica, o la distància entre les diverses capes de material.

Per tant, a partir de la fórmula anterior que la capacitància canviï fàcilment. N'hi ha prou d'alguna manera actuen sobre l'àrea de la placa de material dielèctric, una distància entre les plaques o directament amb la permeabilitat usat en la fabricació del material. En conseqüència, la selecció d'un valor particular depèn únicament de la llista de tasques que els dissenyadors de dispositius s'han fixat.

Per tant, podem fins i tot fer un sensor capacitiu amb les mans, com un punt de vista constructiu és - el condensador plana o cilíndrica habitual, una placa de la qual està constantment experimentant un moviment controlat en l'espai, el que condueix a un canvi en la capacitància. Cal recordar que la fórmula anterior és vàlid només si està descuidant per complet els efectes de vora. Parlarem més sobre això en la secció final d'aquest article.

Cal saber que aquests aparells electrònics s'utilitzen àmpliament per mesurar els desplaçaments angulars i lineals d'objectes, calculant la mida, el treball aplicat, la humitat, la concentració de substància activa i altres característiques. Pel que fa als aspectes estructurals de la pregunta, llavors aquests fardells es fan pla-paral·lel, en carcasses cilíndriques amb elèctrodes de passador, amb un revestiment d'un material dielèctric, i fins i tot sense.

Aquí és com operar els sensors capacitius. El principi de funcionament d'alguns d'ells necessiten saber amb gran detall. En aquest article donem algunes fórmules que poden ser útils per a vostè.

Fórmula per descriure el principi de funcionament de certs tipus de sensors

Sensor de nivell amb una possible variació de la plaça plaques dielèctriques poden ser bastant fàcilment descriu usant la següent equació:

C = εεₒaH / δ.

Per "X" en aquest cas es refereix a la longitud de la superposició d'elèctrodes utilitzats. Per tant, "a" denota l'amplada de les plaques del condensador. Cal assenyalar que aquests dispositius s'han aplicat en diversos camps de la indústria, els que s'utilitzen per al mesurament precisa dels valors angulars. la capacitat del transductor en tal cas es troba per la següent expressió:

C = εεₒ (r₂- R $ ₁ $) / 2δ * (φₒ-φ).

Per tal de mesurar amb precisió la sensibilitat, s'ha d'utilitzar una fórmula lleugerament diferent:

K = εεₒ (R $ ₁ $ r₂-) / 2δ.

Vegem el que s'entén per aquelles variables que formen part d'aquestes equacions:

• R $ ₁ $ - radi interior de les plaques de condensador;
• R $ ₂ $ - radi exterior de la mateixa placa;
• φ - mesura en el valor del moment (real) de l'angle de superposició;
• φₒ - el valor inicial de l'angle de recobriment.

Finalment, s'explica l'expressió matemàtica que descriu el principi de funcionament del mesurador capacitiu amb espai d'aire ajustable:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Com era d'esperar, una folgança primària δₒ entès, la lletra X són la mateixa quantitat de desplaçament de la placa. Fer atenció! Des característiques estàtiques no són estrictament lineal, típicament el sensor de nivell de les utilitzades per mesurar desplaçaments molt petits, que no excedirà el 0,1δₒ quantitat. Naturalment, aquests dispositius són molt demandats en l'enginyeria de precisió, on fins i tot petits errors poden causar problemes molt seriosos.

On poden ser utilitzats?

Les àrees de possible aplicació són molt diversos. Per tant, en pràcticament totes les indústries poden satisfer l'operació, que són controlats per aquests dispositius. Ells s'utilitzen per controlar l'ompliment dels diversos tancs, i els seus continguts poden ser (sensor gas) líquid, gasós o en partícules.

La prevalença de l'activitat industrial humana industrial i normal és més alt, més fiable i més fàcil de dissenyar aquests dispositius. De la combinació d'aquests símptomes, que són tan bons que es poden utilitzar fins i tot en condicions extremadament agressives sosté petroliers.

A més, el sensor capacitiu es pot usar com un interruptor de límit a la botiga de fabricació de la línia transportadora o de la màquina. Cal i per a la col·locació més precisa dels diversos mecanismes.

sensors de proximitat

Però ara una gran demanda de sensors de proximitat, que estan fets de exactament el mateix principi. L'abast del seu ús és encara més àmplia. Això és a causa dels dispositius de costos cèntim que poden treballar en pràcticament tots els tipus d'indústria. Cal, però, típica de la indústria, on aquest tipus d'equips són els més populars:

• El control dels recipients transparents plenes de líquid fetes de plàstic o vidre.
• Una funció similar es porta a terme per ells en la fabricació de productes alimentaris (incloent els nens), on el producte acabat s'envasa en envasos fets de materials transparents. En el mateix principi en base i el treball de la bala com un sensor capacitiu de combustible.
• Per a la vigilància de zones perilloses, quan sigui possible trencades fil de debanament.
• Controlar llocs similars on la cinta transportadora portador podria danyar-se.
• controlar individualment el tipus de productes produïts (conversió de llaunes, ampolles, envasos).

No és sorprenent que aquests dispositius electrònics són els més comuns en l'enginyeria de precisió, generació d'energia i moltes altres indústries varietat de sensors.

inclinòmetres

Els dispositius que s'han convertit en freqüent només en relativament recents anys són inclinòmetre capacitiva de mida petita que proporciona el senyal de sortida elèctrica de transmissió la magnitud és directament proporcional a la del sensor de l'angle usat.

El camp principal més comú d'ús d'aquests dispositius: Sistema d'plataforma d'alineació, la determinació de la desviació i deformació de diversos tipus de bigues de suport tècnic, així com un control precís del camí, desviació de la pista de ferrocarril a l'etapa de la seva construcció.

D'altra banda, utilitzant aquests dispositius determinen el rotllo de camions pesats i altres vehicles, ascensors i excavadores industrials i determinar el grau de desplaçament angular per a màquines agrícoles i industrials particularment grans.

Molt important capacitius de nivell de combustible sensors en la indústria petroliera. S'utilitzen fins i tot en els superpetroliers que porten en un desenes de tret i centenars de milers de tones de productes refinats del petroli. Aquests dispositius són extremadament eficaços fins i tot en molt abundant formació de condensat i un alt grau d'àrea de producció de pols (el mateix sensor de gas).

Troben el seu ús en els valors de mesurament dels nivells de pressió absoluta i relativa, així com el gruix del material dielèctric, que és extremadament important en gairebé totes les indústries on s'utilitzen realment potents condensadors.

Els principals avantatges dels sensors capacitius

Cal assenyalar que el sensor capacitiu té molts avantatges quan es compara amb dispositius similars que es formen en alguna cosa diferents principis. Fem una llista de les principals avantatges d'aquests Kip:

• En la indústria manufacturera, que són extremadament simples. A més, els materials més simples i barats poden ser utilitzats en la seva producció. Fins i tot els sensors de nivell de combustible capacitiva utilitzats en els objectes importants de la indústria del petroli tenen una mida molt modest té el nivell més baix possible del consum d'energia elèctrica. Amb totes aquestes característiques, es diferencien excel·lent nivell de sensibilitat, que sovint és inabastable per als dispositius més cars.
• En principi, pot ser un sensor capacitiu amb les mans, usant com a base qualsevol tipus de condensador industrial més o menys fiables i d'alta qualitat.
• Els contactes que tenen (molt poques vegades es fan servir un col·lector de corrent), que és extremadament beneficiós per al treball en condicions d'alta pols i humitat.
• extremadament llarga vida de servei, la unitat gestiona diverses vegades per "recuperar" el seu baix cost. En conseqüència, el sensor capacitiu (el preu està en el rang de 1200-1700 rubles) és l'adquisició extremadament rendible.
• Per desplaçar la part mòbil del dispositiu es requereix per fer sorprenentment poc esforç.
• El dispositiu és molt fàcil de combinar amb gairebé totes les categories d'equip que s'utilitza només en les activitats industrials.

aspectes negatius

Desafortunadament, cada sensor capacitiu té certs inconvenients, que en certa mesura compliquen l'ús generalitzat d'aquest tipus d'equips. Les enumerem amb més detall:

• factor de conversió (és a dir, la transmissió) és relativament baix.
• Mida petita i simplicitat de disseny contribueixen al fet que el nominat bastant altes exigències en la qualitat dels dispositius de detecció.
• Bé sensor de nivell capacitiu (i altres instruments de mesura similars) poden funcionar eficaçment només a una freqüència molt més alta que el valor estàndard de 50 Hz.

avisos importants

No obstant això, no tot és tan dolent. Molts fabricants busquen excel·lents característiques del blindatge dels sensors en fer petits canvis en la seva estructura. Pel que fa a la freqüència d'ús, en la pràctica mostren excel·lents resultats en valor industrial generalitzat de 400 Hz.

Ja hem parlat de la lleialtat a la fórmula bàsica només si s'ignora l'efecte de vora. No obstant això, és útil saber que el que realment pot tenir un efecte negatiu només en el cas que la distància entre les plaques dielèctriques és comparable al seu propi mida. A més, l'efecte negatiu es pot neutralitzar en gran part simplement usant l'anell de protecció. En aquest cas, l'impacte dels efectes de frontera no pot transferir més enllà de les plaques utilitzades.

Un cop més, observem que els mateixos sensors de pressió es caracteritzen per una senzillesa notable, el que li permet crear una estructura meravellosament estable, duradora i de baix cost. Si tria les dimensions geomètriques adequades utilitzades dielèctrica és usada en la producció d'un material d'aquest tipus de condensador no pot particularment preocupats.

Per tant, triar correctament el segell de metall per a la fabricació de la carcassa del sensor, és fluctuacions de temperatura, fins i tot forts pràcticament menyspreable que podria resultar en un canvi en la capacitància del dispositiu i les seves lectures inadequades. Per descomptat, això no elimina la necessitat de realitzar sensors aïllat pressió exhaustives i altres tals indicadors dels factors ambientals agressives. Malgrat la seva simplicitat, alta humitat i nivells elevats de radiació poden afectar negativament la fiabilitat del dispositiu.

classificació dels sensors

S'utilitza en processos industrials per a la seva producció li permeten compartir tot tipus de sensors produïts en dos grans grups: odnoemkostnye i dvuhemkostnye. L'última classe es divideix en diferencial i poludifferentsialnye. Anem a considerar amb més detall.

Odnoemkostny dispositiu. En aquest cas, el circuit sensor capacitiu extremadament simple, ja que la seva part principal és el condensador més comú amb capacitància variable. Per desgràcia, fins i tot un lleuger augment en la humitat i la temperatura tenen sobre l'exactitud de les indicacions impacte molt tangible. A causa d'això, hi ha diversos sensors sovint mal funcionament. Per neutralitzar la magnitud d'aquests errors, és necessari l'ús d'estructura diferenciada.

sensor de Dvuhemkostny. En realitat, és només una estructura tan diferenciada. Sovint és possible satisfer el sensor de nivell capacitiu està fabricat per un tal esquema. Aquests dispositius estan alliberats dels principals inconvenients del model anterior, però tenen les seves pròpies debilitats. El desavantatge més significativa és la necessitat d'utilitzar dos o tres cables apantallats entre el propi dispositiu i la superfície, perquè només d'aquesta manera pot suprimir l'anomenada capacitància paràsita.

No obstant això, un esquema bastant sofisticat de sensors capacitius en aquest cas és fàcil passar per alt, ja que en canvi s'obté un dispositiu extremadament precís i sensible.

sensors de la construcció de Especificitat

En molts casos (des del punt de vista del disseny) la creació d'aquests dispositius és problemàtic. Això és especialment cert quan es vol crear un sensor amb nivells variables de capacitat. No obstant això, l'experiència demostra que molts dels problemes es resolen gairebé del tot la calibració precisa i materials d'alt rendiment utilitzats en la producció. Molt sovint aquestes dificultats que enfronten els productors dvuhemkostnyh sensors.

En general, l'especificitat d'aquest tipus d'aparells de mesurament és que poden ser representats com una relació adimensional de dues quantitats físiques (recipients) que tenen una expressió física precisa i significat. De manera que puguin ser cridats de manera segura "sondes de la relació". L'avantatge d'aquests dispositius (ells gran avantatge!) És que generalment no poden tenir en el seu disseny algunes mesures estàndard que refreden millora la fiabilitat en situacions i condicions realment extremes.

Caracterització dels codificadors lineals

Tots els valors no elèctrics, que sovint es requereix per controlar en un entorn industrial, és extremadament diversa i polifacètica. Una part significativa de les mesures que estan subjectes a estrictes controls, realitzar moviments angulars i lineals fins i tot diferents tipus de superfícies en l'espai. Si un condensador que té absolutament camp elèctric uniforme en l'espai, no és tan difícil fer dos sensors electrònics dels següents tipus:

• En un barri dels elèctrodes és variable.
• Els que tenen un buit variable entre els elèctrodes.

És fàcil d'entendre que el primer tipus és el més adequat per fixar el moviment molt gran, mentre que l'ús de la segona varietat es pot notar fins i tot algun moviment del cos en l'espai, el valor és igual a només unes poques micres!

Sensors per a la determinació del desplaçament angular

En general, pel disseny i propòsit, que gairebé completament idèntic al tipus de contacte anterior. Similitud es manifesta en el fet que els sensors són elèctrodes d'una àrea variable s'ha d'utilitzar també per dimensions més grans i amb una distància variable entre els propis elèctrodes - petits. Típicament, aquests dispositius estan fets multi-secció, amb la possibilitat de canviar l'àrea de les plaques del condensador.

Per aconseguir això, un primer elèctrode fixat a l'eix mòbil en rotació que canvia la seva posició relativa a la segona zona de canvi que proporciona la superposició de les plaques dielèctriques en el condensador. Naturalment, quan es va registrar un canvi en la capacitància.

troballes

Així que hem discutit les característiques bàsiques de l'altura de l'instrument, vam aprendre sobre els seus camps d'aplicació, sobre les característiques de disseny, el principi d'acció i les possibles solucions tècniques. Com es pot entendre a partir de l'article, la prevalença dels sensors capacitius i la seva altíssima popularitat es basa en el preu molt atractiu d'aquest tipus de dispositius i una llarga vida útil fins i tot en condicions ambientals difícils.

Tot això és possible gràcies al fet que, des d'un punt de vista constructiu, tots aquests metres són només condensadors estàndard, que es caracteritzen per una forma una mica inusual de la seva aplicació. No obstant això, pot i esbrinar per si mateix, un cop més mirant les fórmules matemàtiques que en general reflecteixen els principis kip treball.