Kapacitivni senzor: naprava in načelo delovanja. Kapacitivni senzorji: uporaba

Sodobne industrije in človeške vsakdanje človeške dejavnosti tudi ni mogoče zamisliti brez kakršnih koli elektronskih naprav. Pomagajo nam v vsem in nekateri tehnološki postopki brez njih sploh ne bodo mogli. Takim "pomočnikom" je treba pripisati kapacitivni senzor.

To je tisto, kar imenujemo pretvorniki, proizvedeni glede na tip parametra. Merjenje določenega volumna s takimi napravami se izvaja zaradi nihanj kapacitivnega upora, ko se spremenijo nekateri pomembni parametri. Preprosto povedano, sprememba je ocenjena Kapacitivnost kondenzatorja pod vplivom nekaterih zunanjih dejavnikov.

Princip delovanja kapacitivnega senzorja

To so kapacitivni senzorji. Načelo njihovega dela ni tako zapleteno, toda za razumevanje morate nekaj vedeti. Najprej se spomnimo načela določanja kapacitivnosti kondenzatorja. Ta ukrep je izražen z naslednjo formulo:

C = epsilon-epsilon-ₒS / delta-.

Ta izraz je znano mnogim iz šolskega tečaja fizike, vendar ne bi škodilo osveževanju spomina in se spominjalo, kaj pomeni vsaka od spremenljivk:

• S je območje kondenzatorske plošče.
• Epsilon- je relativna prepustnost dielektričnega materiala, uporabljenega pri konstrukciji kondenzatorja.
• epsilon-ₒ - tako je v fiziki običajno določiti dielektrično konstanto vakuuma.
• delta- - to je lahko debelina dielektrične plošče ali razdalja med več plasti materiala.

Tako iz zgornje formule izhaja, da je enostavno spremeniti kapacitivnost kondenzatorja. Dovolj je, da nekako deluje na površini plošče dielektričnega materiala, razdalji med ploščami ali neposredno na prepustnosti materiala, uporabljenega pri proizvodnji. Zato je izbira posebne vrednosti odvisna samo od seznama opravil, ki so jih oblikovalci postavili pred napravo.

Tako smo lahko celo kapacitivni senzor z rokami, kot konstruktivnega vidika je to - običajno ravno ali valjasti kondenzator, od katerih je ena plošča je nenehno doživlja nadzorovano gibanje v prostoru, kar vodi v spremembo kapacitivnosti. Upoštevati je treba, da je zgornja formula pravilna le, če popolnoma zanemarite robne učinke. O tem bomo govorili v zadnjem delu tega članka.

Treba je znano, da so te elektronske naprave v veliki meri uporabljajo za merjenje kotov in linearne premike predmetov izračunavanju, uporabljeno delo, vlažnosti koncentracijo aktivne snovi in ​​druge lastnosti. Glede na strukturne vidike vprašanja, potem omenjeni bale so na ravnino, vzporedno, pri valjastih ohišja z zatičem elektrodami, z oblogo dielektričnega materiala, in tudi brez njega.

Evo, kako delujejo kapacitivni senzorji. Posebno je treba podrobno poznati načelo delovanja nekaterih od njih. V okviru tega članka vam bomo dali nekaj formul, ki bi lahko bile koristne za vas.

Formule za opis načela delovanja določenih tipov senzorjev

Senzor nivoja z morebitno spremembo površine dielektričnih plošč je mogoče dokaj enostavno opisati z naslednjo enačbo:

C = epsilon-epsilon-κaX / delta-.

V tem primeru je "X" dolžina prekrivanja uporabljenih elektrod. V skladu s tem "a" označuje širino plošč samega kondenzatorja. Treba je opozoriti, da so ti instrumenti našli svojo uporabo na različnih področjih industrije, kjer se uporabljajo za najbolj natančno merjenje kotnih količin. Zmogljivost pretvornika nato najdemo z naslednjim izrazom:

C = epsilon-epsilon-ₒ (r-r) / 2delta- * (fi-ₒ-phi-).

Da bi natančno izmerili občutljivost, je treba uporabiti nekoliko drugačno formulo:

K = epsilon-epsilon-ₒ (r-rl) / 2delta-.

Poglejmo, kaj pomenijo te spremenljivke, ki so del teh enačb:

• r1 je notranji polmer kondenzacijske plošče;
• R2 je zunanji polmer iste plošče;
• Phi - merjena v trenutku (trenutna) vrednost kota prekrivanja;
• phi-ₒ je začetna vrednost kota prekrivanja.

Na koncu bomo analizirali matematični izraz, ki opisuje princip delovanja kapacitivnega merilnika s spremenljivo zračno režo:

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

Ni težko uganiti tega pod delta-ₒ je primarna reža, medtem ko ista črka X označuje količino premika plošče. Bodite pozorni! Ker statične karakteristike niso strogo linearne, se običajno uporablja tipalni nivo te vrste za merjenje izredno majhnih premikov, katerih obseg ne presega 0,1delta-ₒ. Seveda so te naprave zelo zahtevne pri natančnem inženiringu, kjer lahko celo manjša napaka povzroči dovolj resnih težav.

Kje se lahko uporabljajo?

Področja njihove možne uporabe so zelo raznolika. Torej, praktično v vseh panogah industrije je mogoče izpolniti operacije, ki jih nadzirajo te naprave. Uporabljajo se za nadzorovanje polnjenja različnih rezervoarjev, njihova vsebina pa je lahko tekoča, granularna ali plinasto (senzor plina).

Njihova razširjenost v industriji in navadni človeški proizvodnji je še večja, bolj zanesljiva in enostavnejša zasnova teh naprav. Za vse te znake so tako dobri, da jih je mogoče uporabljati celo v neverjetno agresivnih pogojih tankerjev.

Poleg tega se kapacitivni senzor lahko uporablja kot končno stikalo na transportni liniji ali strojno orodje proizvodne dvorane. Potrebno je tudi za najbolj natančno pozicioniranje različnih mehanizmov.

Senzorji bližine

Toda v tem trenutku obstaja posebno povpraševanje senzorji bližine, ki se izvajajo na popolnoma enak način. Razpon njihove uporabe je celo širši. To je posledica peni vrednosti naprav in sposobnosti za delo v skoraj vseh vrstah industrije. Vendar pa obstajajo tipične industrije, kjer so naprave te vrste najbolj povpraševane:

• Nadzor nad polnjenjem tekočih prozornih posod iz plastike ali stekla.
• Podobno vlogo opravljajo tudi pri proizvodnji živilskih izdelkov (vključno z otroki), kjer je končno blago pakirano v posodah iz prozornih materialov. Na istem principu temelji delo takih instrumentov kot kapacitivnega senzorja goriva.
• Za nadzor nevarnih območij, kjer je prekinjena navojna žica.
• Nadzor na podobnih mestih, kjer se transportni trak poškoduje.
• Kontrola kosov proizvedene vrste izdelka (ponovni izračun pločevink, steklenic, paketov).

Ni presenetljivo, da so te elektronske naprave najpogostejše v natančnem inženirstvu, energiji in mnogih drugih panogah različnih senzorjev.

Inklinometri

Naprave, ki so postali razširjena le v relativno zadnjih letih so mala kapacitivni naklona zagotavljanje prenosa električni izhodni signal, katerega obseg je neposredno sorazmerna s senzorja kota, ki se uporablja.

Najpogostejši pomembno področje uporabe teh naprav: sistem za poravnavo platforma, določitev sag in tehničnih deformacij različnih vrst podpornih nosilcev, kot tudi natančen nadzor cestnega prometa, odklon proga na stopnji njihove izdelave.

Poleg tega je z uporabo te naprave določi zvitek težkih tovornjakov in drugih vozil, dvigal in industrijskih bagri in ugotoviti stopnjo kotnega odmika za kmetijske in industrijske stroje posebej velike.

Zelo pomembno je kapacitivnost senzorji nivoja goriva v naftni industriji. Uporabljajo se tudi pri supertankerjih, ki za en letni prevoz desetine in več sto tisoč ton predelanih naftnih proizvodov. Te naprave so izjemno učinkovite tudi v pogojih nastajanja izredno obsežnega kondenzata in visoke stopnje prašnosti v proizvodni sobi (istega senzorja plina).

Njihovo uporabo pri merjenju absolutnega in relativnega tlaka ter debelini dielektričnega materiala, ki je izjemno pomembno v skoraj vseh panogah, kjer se uporabljajo zelo močni kondenzatorji.

Glavne prednosti kapacitivnih senzorjev

Treba je opozoriti, da kapacitivni senzor ima veliko prednosti, če ga primerjate s podobnimi napravami, ki se izvajajo v skladu z nekoliko drugačnimi načeli. Naštejmo glavne prednosti teh instrumentov:

• Pri izdelavi so zelo enostavni. Poleg tega se pri njihovi proizvodnji lahko uporabijo najpreprostejši in najcenejši materiali. Tudi kapacitivni senzorji nivoja goriva, ki se uporabljajo v pomembnih objektih naftne industrije, imajo zelo skromne dimenzije in imajo najnižjo možno raven porabe električne energije. Z vsemi temi značilnostmi se odlikujejo po odlični stopnji občutljivosti, ki je pogosto nedosegljiva za dražje naprave.
• Načeloma lahko naredite kapacitivni senzor sami, pri čemer uporabljate kot svojo osnovo bolj ali manj zanesljiv in visokokakovosten industrijski kondenzator.
• Nimajo stikov (zelo redko se uporablja samo en tekoči zbiralnik), kar je izjemno koristno za delo v razmerah visoke vsebnosti prahu in vlažnosti v prostoru.
• Življenjska doba je zelo dolga, naprava vedno znova odpravlja svoje poceni stroške. Skladno s tem kapacitivni senzor (katerega cena je v območju 1200-1700 rubljev) je izredno dobičkonosna pridobitev.
• Za premik gibajočega dela naprave potrebuje presenetljivo malo truda.
• Naprava je zelo enostavna za združevanje s skoraj vsemi kategorijami opreme, ki se uporablja samo v industrijskih dejavnostih.

Negativni trenutki

Na žalost ima vsak kapacitivni senzor določene pomanjkljivosti, ki do neke mere ovirajo široko uporabo te vrste opreme. Naj jih podrobneje navajamo:

• Pretvorbeni faktor (tj. Prenos) je relativno nizek.
• Majhna velikost in preprostost dizajna prispevajo k dejstvu, da obstajajo precej visoke zahteve za kakovost presejalnih naprav.
• Dober kapacitivni senzor nivoja (in druge podobne merilne naprave) lahko učinkovito deluje le pri frekvenci, ki je veliko višja od standardne vrednosti 50 Hz.

Pomembne opombe

Vendar pa vse ni tako slabo. Mnogi proizvajalci dosežejo odlične karakteristike senzorskih senzorjev z minimalnimi spremembami v njihovem oblikovanju. Kar se tiče pogostosti uporabe, v praksi kažejo odlične rezultate pri široko uporabljeni industrijski vrednosti 400 Hz.

Za veljavnost osnovne formule smo že govorili le, če se mejni učinek ne upošteva. Vendar je koristno vedeti, da lahko resnično negativno vpliva le, če je razdalja med ploščami dielektrika primerljiva z njihovimi dimenzijami. Poleg tega se lahko negativni učinek v veliki meri izravna z uporabo zaščitnega obroča. V tem primeru se učinek učinka učinka lahko prenese daleč preko uporabljenih plošč.

Še enkrat ugotavljamo, da iste tlačne senzorje odlikuje izjemna preprostost, ki vam omogoča, da ustvarite na čudežu stabilnih, trajnih in poceni modelov. Če pravilno izberete geometrijske dimenzije uporabljenega dielektrika, ne morete skrbeti za materiale, ki se uporabljajo pri izdelavi takšnega kondenzatorja.

Tako je pravilna izbira kovinske oznake za izdelavo ohišja senzorja praktično zanemarjena tudi močna nihanja temperature, ki bi lahko povzročila spremembo kapacitivnosti naprave in neustreznost njegovih odčitkov. Seveda to ne odpravlja potrebe po skrbni izolaciji tlačnih senzorjev in drugih podobnih kazalcev od agresivnih okoljskih dejavnikov. Kljub njihovi preprostosti lahko visoka vlažnost in visoka raven sevanja negativno vplivata na zanesljivost naprave.

Klasifikacija senzorjev

Metode njihove proizvodnje, ki se uporabljajo v industriji, omogočajo razdelitev vseh proizvedenih tipov senzorjev v dve veliki skupini: en vzorec in dvomestno vzorčenje. Slednja sorta je razdeljena na diferencialno in pol-diferencialno. Podrobneje jih bomo preučili.

Naprava z enim orodjem. V tem primeru so kapacitivne senzorske vezje preproste v ekstremnih pogojih, saj je najpogostejši del najpogostejši kondenzator s spremenljivo kapacitivnostjo. Na žalost imajo celo nekoliko povečana vlaga in temperatura zelo očiten vpliv na točnost odčitkov. Zaradi tega pogosto pride do različnih okvar senzorjev. Da bi izmerili velikost takih napak, moramo uporabiti diferencirane konstrukcije.

Senzor dveh senzorjev. Pravzaprav je tako diferencirana struktura. Zelo pogosto najdete kapacitivno senzor nivoja, izdelan natančno po tej shemi. Te naprave so prihranjene od glavnih slabosti prejšnjega modela, vendar imajo svoje slabosti. Njihova najpomembnejša pomanjkljivost je potrebo po uporabi dveh ali treh oklopljenih žic med samimi napravami in površino, saj le tako lahko zataknejo tako imenovane parazitske kapacitete.

Vendar pa je za precej kompleksne sheme kapacitivnih senzorjev v tem primeru enostavno ne bodite pozorni, saj v zameno dobite zelo natančen in občutljiv instrument.

Posebnost načrtovanja senzorjev

V mnogih primerih (z oblikovalskega vidika) je ustvarjanje takšnih naprav precej problematično. To velja zlasti, če je potrebno ustvariti senzor s spremenljivo raven kapacitivnosti. Vendar pa praksa kaže, da so številne težave skoraj popolnoma rešene s točno kalibracijo in visokimi lastnostmi materialov, ki se uporabljajo v proizvodnji. Najpogosteje se te težave soočajo proizvajalci senzorjev s senzorjem.

Na splošno so specifike te vrste merilni instrumenti leži v tem, da jih je mogoče predstavljati v obliki brezmejnega razmerja dveh fizičnih količin (zmogljivosti), ki imajo natančen fizični izraz in pomen. Tako jih lahko imenujemo "senzorji bližine". Prednost teh naprav (njihov ogromen plus!) Ali v splošnem morda nimajo nobenih referenčnih ukrepov v svojem oblikovanju, kar izboljša njihovo zanesljivost v resnično skrajnih razmerah in razmerah.

Značilnosti linearnih senzorjev pomika

Vse neelektrične količine, ki jih je pogosto potrebno nadzorovati v industrijskih razmerah, so zelo raznolike in večplastne. Pomemben del ukrepov, ki so predmet strogega nadzora, so kotni in celo linearni premiki različnih vrst površin v vesolju. Če uporabljamo kondenzator, ki ima v delovni reži popolnoma enakomerno električno polje, ni tako težko izdelati elektronskih senzorjev naslednjih dveh tipov:

• V katerem bo območje elektrod spremenljivo.
• Tiste, ki imajo spremenljivo vrzel med temi elektrodami.

Lahkotno je razumeti, da je prvi tip najbolj primeren za določitev res velikih premikov, medtem ko s pomočjo druge vrste opazimo taka gibanja telesa v prostoru, katerega obseg je le nekaj mikronov!

Kotni premik senzorji

Na splošno, po zasnovi in ​​namenu, so skoraj povsem enaki tipu, ki je pravkar upoštevan. Podobnost se kaže v tem, da je treba za velike meritve uporabljati senzorje s spremenljivo elektrodno površino in s spremenljivo razdaljo med samimi elektrodami za majhne. Takšne naprave so praviloma izdelane z večslojnimi nastavitvami, z možnostjo spreminjanja površine kondenzatorskih plošč.

Da bi to dosegli, je prva elektroda pritrjena na premično gred, ob kateri se njegova rotacija spremeni glede na drugo, kar zagotavlja spremembo prekrivajoče se površine dielektričnih plošč v kondenzatorju. Seveda je hkrati spremenjena kapacitivnost.

Sklepi

Zato smo preučili osnovne značilnosti naprav te ravni, se seznanili s področji njihove uporabe, značilnostmi zasnove, načelo delovanja in možnimi tehničnimi rešitvami. Kot ste lahko razumeli iz članka, razširjenost kapacitivnih senzorjev in njihova izjemna priljubljenost temeljita na zelo privlačni ceni teh naprav in dolgem življenjskem ciklu tudi v težkih okoljskih razmerah.

Vse to je mogoče zaradi dejstva, da so s konstruktivnega vidika vsi ti merilniki le standardni kondenzatorji, za katere je značilen nekoliko nenavaden način njihove uporabe. Toda sami to lahko ugotovite tako, da ponovno pogledate na matematične formule, ki na splošno odražajo načela delovanja instrumentacije.