Емкостный датчик

Принцип работы емкостных датчиков, на что обратить внимание при подборе

Приложение напряжения переменного тока к смежным проводникам способствует дистанционному накапливанию на них положительных и отрицательных зарядов. Они создают вариативное электромагнитное поле, чувствительное ко многим внешним факторам, в первую очередь, к расстоянию между проводниками. Это свойство может использоваться для создания соответствующих емкостных датчиков, которые в состоянии управлять работой различных систем контроля и слежения.

Описание и назначение

Приложения напряжения разного знака, согласно закону Ампера, вызывает перемещение проводников, на которых находятся электрические частицы. При этом возникает переменный ток, который может быть обнаружен. Величина протекающего тока определяется емкостью, которая, в свою очередь, зависит от площади проводников и расстояния между ними. Более крупные и более близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и более отдаленные.

Емкость определяется следующими параметрами:

  • Характером не проводящей ток среды-диэлектрика, располагающейся между проводниками.
  • Размерами проводников.
  • Силой тока.

Пара таких поверхностей образует обкладки простейшего конденсатора, емкость которого прямо пропорциональна площади и диэлектрической проницаемости рабочей среды, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. При постоянстве размеров обкладок и состава рабочей среды между ними любое изменение емкости будет являться результатом изменения расстояния между двумя объектами: зондом (датчиком) и отслеживаемой целью. Достаточно только преобразовать изменения емкости в значения сфокусированного электрического напряжения, которое будет управлять дальнейшими действиями прибора. Данные устройства, таким образом, предназначены для определения изменяющегося расстояния между объектами, а также для уточнения характера и качества поверхности измеряемых изделий.

Принцип работы емкостного датчика

Конструктивно такой прибор включает в себя:

  • Источник формирования эталонного напряжения.
  • Первичную цепь – зонд, поверхность и размеры которого определяются целями измерений.
  • Вторичную цепь, формирующую необходимый электрический сигнал.
  • Защитную цепь, обеспечивающую стабильность показаний датчика независимо от внешних возмущающих факторов.
  • Электронный усилитель, драйвер которого формирует сильный управляющий сигнал на исполнительные элементы, и обеспечивает точность срабатывания.

Емкостные датчики подразделяются на одно- и многоканальные. В последнем случае устройство может включать в себя несколько вышеописанных схем с разной формой зондов.

Драйвер электроники может быть настроен как ведущий или ведомый. В первом варианте он обеспечивает синхронизацию управляющих сигналов, поэтому используется преимущественно в многоканальных системах. Все приборы являются сенсорными, реагирующими исключительно на бесконтактные параметры.

Основными характеристиками рассматриваемых устройств считаются:

  • Размеры и характер цели – объекта зондирования. В частности, создаваемое ею электрическое поле должно иметь форму конуса, для которого габаритные размеры должны минимум на 30% превышать соответствующие размеры первичной цепи;
  • Диапазон измерений. Максимальный зазор, при котором показания устройства дают требуемую точность, составляют около 40% от полезной площади первичной цепи;
  • Точность измерений. Калибровка показаний обычно уменьшает диапазон, но повышает точность. Поэтому, чем меньше датчик по размерам, тем ближе он должен быть установлен к контролируемому объекту.

Характеристики датчиков не зависят от материала объекта, а также его толщины

Как конденсатор превращается в датчик

В данном случае причина и следствие меняются местами. Когда на проводник подается напряжение, электрическое поле образуется у каждой поверхности. В емкостном датчике измерительное напряжение подается на чувствительную зону зонда, причём для точных измерений электрическое поле от зондируемой области должно содержаться именно в пространстве между зондом и целью.

В отличие от обычного конденсатора, при работе емкостных датчиков электрическое поле может распространяться на другие предметы (или на отдельные их области). Результатом станет то, что система будет распознавать такое составное поле как несколько целей. Чтобы этого не произошло, задняя и боковые стороны чувствительной области окружают другим проводником, который поддерживается под тем же напряжением, что и сама чувствительная область.

При подаче эталонного напряжения питания, отдельная цепь подает точно такое же напряжение на защиту датчика. При отсутствии разницы в значениях напряжений между зоной чувствительности и защитной зоной, электрическое поле между ними отсутствует. Таким образом, исходный сигнал может исходить только от незащищенного фронта первичной цепи.

В отличие от конденсатора, на действие емкостного датчика будет влиять плотность материала объекта, поскольку при этом нарушается однородность создаваемого электрического поля.

Проблемы измерения

Для объектов сложной конфигурации достижение требующейся точности возможно при соблюдении ряда условий. Например, при многоканальном зондировании напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу: один датчик попытается увеличить электрическое поле, в то время как другой будет стремиться уменьшить его, тем самым давая ложные показания. Поэтому существенным ограничивающим условием является требование, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик на предприятии-изготовителе. Если оценивать сигнал по изменению расстояния между зондом и целью, то все остальные параметры должны иметь постоянные значения.

Указанные сложности преодолеваются с помощью следующих приёмов:

  • Оптимизации размеров измеряемого объекта: чем меньше цель, тем больше вероятность распространения чувствительности поля по сторонам, в результате чего ошибка измерения увеличивается.
  • Проведения калибровки только по мишени с плоскими размерами.
  • Снижением скорости сканирования цели, в результате чего изменение характера поверхности не будет сказываться на итоговых показаниях.
  • Во время калибровки зонд должен располагаться эквидистантно поверхности цели (параллельно – для плоских поверхностей); это важно для датчиков повышенной чувствительности.
  • Состояние внешней среды: большинство емкостных датчиков сенсорного типа устойчиво работают в температурном диапазоне 22…35 0 С: в этом случае погрешности минимал
    ьны, и не превышают 0,5 % от полной измерительной шкалы.

Тем не менее, есть проблемы, которые устранить невозможно. К их числу относится фактор теплового расширения/сужения материала, как датчика, так и контролируемого объекта. Второй фактор – электрический шум датчика, который вызывается дрейфом напряжения драйвера устройства.

Блок-диаграмма работы

Не являясь прямонаправленным, емкостной датчик измеряет некоторую емкость от объектов, которые постоянно присутствуют в окружающей среде. Поэтому неизвестные объекты обнаруживаются им как увеличение этой фоновой емкости. Она значительно больше, чем емкость объекта, и постоянно изменяется по величине. Поэтому рассматриваемые устройства используются для обнаружения изменений в окружающей среде, а не для обнаружения абсолютного присутствия или отсутствия неизвестного объекта.

При приближении цели к зонду величина электрического заряда или емкости изменяется, что и фиксируется электронной частью датчика. Результат может выводиться на экран или сенсорную панель.

Для производства измерения прибор подключается к печатной плате с сенсорным контроллером. Сенсоры оснащаются управляющими кнопками. Которыми можно включать в работу несколько зондов одновременно.

Сенсорные экраны используют датчики с электродами, расположенными в ряды и столбцы. Они находятся либо на противоположных сторонах основной панели, либо на отдельных панелях, которые разделены между собой диэлектрическими элементами. Контроллер циклически переключается между различными зондами, чтобы сначала определить, к какой строке касаются (направление Y), а затем к какому столбцу (направление X). Зонды часто изготавливаются из прозрачного пластика, что повышает информативность результата измерения.

Использование LC-фильтров

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровое значение, пригодное для дальнейшей обработки. При этом периодически измеряется выходной сигнал датчика и генерируется сигнал возбуждения для зарядки пластины датчика. Частота дискретизации на выходе датчика относительно низкая — менее 500 выборок в секунду, но разрешение аналого-цифрового преобразования необходимо для захвата небольших различий в емкости.

В емкостном измерительном устройстве ступенчатая форма волны возбуждения заряжает электрод датчика. Впоследствии заряд передается в цепь и измеряется аналого-цифровым преобразователем.

Одной из проблем емкостного зондирования (как уже указывалось) является наличие постороннего шума. Эффективным способом повышения помехоустойчивости является модификация датчика путем подключения чувствительного к частоте компонента. В дополнение к элементу переменного конденсатора к датчику добавляются дополнительный конденсатор и индуктор для формирования резонансного контура. Узкополосный отклик позволяет ему подавлять электрический шум. При простоте LC- контура, его наличие обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ. Во-первых, благодаря присущим узкополосным характеристикам LC-резонатор обеспечивает отличную невосприимчивость к электромагнитным помехам. Во-вторых, если известен диапазон частот, где существует шум, то смещение рабочей частоты датчика может отфильтровать эти источники шума без использования внешних схем.

LC-фильтры чаще применяют в многоканальных датчиках

Сферы применения

Данные устройства используются в следующих целях:

  • Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
  • В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
  • Как компонент охранных устройств автомобилей.
  • Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
  • С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
  • При установке систем автоматического включения/выключения светильников.

Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.

Схемы для изготовления своими руками

Для организации сенсорного управления емкостной датчик легко создать на основе, конденсатора и пары резисторов. При касании к проводам, происходит накапливание электрического заряда, регулируя величину которого, можно изменять время зарядки/разрядки. Такую схему можно применить для управления настольной лампой или иным светильником. В схеме должен присутствовать электронный компаратор, который будет сравнивать время зарядки конденсатора с эталонным (пороговым) значением, и выдавать соответствующий управляющий сигнал.

Электронные схемы с сенсорным контролем более интерактивны для пользователя, чем традиционные, поэтому могут эффективно применяться с целью переключения питания. Емкость конденсатора определяет уровень чувствительности: при повышении емкости чувствительность увеличивается, но для питания устройства потребуется больше мощности и меньшее время срабатывания. Для индикации можно применить обычный светодиод.

Емкостные датчики

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области применения емкостных датчиков

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

сигнализация обрыва обмоточного провода;

регулирование натяжения ленты;

поштучный счет любого вида и др.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. . В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации, определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин, определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов – валов, колес, механизмов редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах.

Читайте также:  Мебель своими руками. Как сделать самодельную мебель - подборка идей.

Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; – малые габариты и вес; – низкое потребление энергии; – высокая чувствительность;

отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

долгий срок эксплуатации;

потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

Недостатки емкостных датчиков

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

высокие требования к экранировке деталей;

необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные качества емкостных датчиков – малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы – делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.

Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

переменной диэлектрической проницаемостью среды ε ;

площадью перекрытия обкладок S ;

изменяющимся расстоянием между обкладками d .

В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Классификация емкостных датчиков

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции . Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

с переменной площадью электродов;

с переменным зазором между электродами.

Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления (электрические датчики давления).

Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью.

Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Классификация
По исполнению датчики делятся на:
  • Одноемкостные.
  • Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения .

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

  • С изменяемой площадью электродов.
  • С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Читайте также:  Аппарат контактной сварки своими руками из старых ламповых телевизоров

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

  • Переменным расстоянием между пластинами.
  • Площадью перекрытия пластин.
  • Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства
Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:
  • Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
  • Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
  • Длительная эксплуатация.
  • Отсутствие подвижных контактов.
  • Повышенная чувствительность.
  • Малый расход электроэнергии.
  • Небольшие габаритные размеры и масса.
  • Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки
  • Работа на высокой частоте.
  • Повышенные требования к экранированию элементов.
  • Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Емкостные датчики — привлекательный вариант для бесконтактного измерения

Емкостное наблюдение или отслеживание – это метод бесконтактного наблюдения, который может работать с множеством различных приложений, таких как распознавание жестов, автомобильные датчики дождя, дистанционное измерение уровня жидкости при обработке различных материалов и других приложений.

Датчиком в системе емкостного наблюдения может быть любой проводник или металл, все будет зависеть от требований к гибкости системы. Благодаря низкому энергопотреблению, высоким разрешениям и низкой стоимости, емкостные датчики активно заменяют индуктивные, оптические и ультразвуковые во многих системах и устройствах.

Измерение без прикосновения

Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.

В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.

Принцип емкостного измерения

Емкость системы – это ее способность хранить электрический заряд, который является одним из основных электрических параметров. Самая простая модель конденсатора (устройство для хранения электрического заряда) будет состоять из двух электрических проводников или пластин, разделенных диэлектриком:

Для модели конденсатора представленной выше емкость (в фарадах) определяется по формуле:

Где: А – площадь пластины (WxL); εr – диэлектрическая проницаемость межпластинного материала; ε – электрическая постоянная 8,85х10 -12 Ф/м; d – расстояние между пластинами в метрах;

Когда датчик заряжен, он создает электрическое поле:

Срабатывание емкостного датчика

Как превращается конденсатор в емкостной датчик? Смотрите ниже:

На рисунке а) показан датчик приближения, использующий палец в качестве «земли», на рисунке б) показано измерение уровня жидкости с параллельным датчиком и землей, а на рисунке с) показан датчик обнаружения и анализа материала.

Бесконтактный датчик формируется путем построения изолированного датчика пластины из проводящей области печатной платы и зарядки. Конденсатор будет формироваться в любое время в заземленном проводящем элементе или же в любом другом объекте, имеющем диэлектрическую проницаемость отличную от воздуха. Из рисунка а) видно, что такой принцип будет работать и в случае приближение части человеческого тела (в нашем случае пальца), так как, по сути, человеческое тело будет представлять собой потенциал земли.

По мере приближения пальца будет изменятся емкость. Даже с учетом того, что эта система нелинейна, обнаружение приближения не составит большого труда.

Для расширения возможностей данного измерительного устройства могут использовать несколько независимых датчиков – вниз/вверх и влево/вправо:

По мере перемещения пальца изменяется емкость всех четырех датчиков. Многоканальный детектор считывает эти показания и передает в микроконтроллер, который проводит вычисления скорости и направления перемещения.

Во многих системах, таких как хранения химических веществ, промышленные системы контроля и автоматизации или коммерческие машины необходимо измерять уровень жидкости. В этом случае пластины датчика могут располагаться рядом друг с другом (см. рисунок б)), в результате чего получается повышенная чувствительность вдоль вертикальной оси.

По мере изменения уровня жидкости будет меняться и диэлектрическое значение, соответственно изменится и емкость. Такая конфигурация позволяет использовать края силовых линий. Соответственно и расчеты изменения емкости в данном случае будут значительно сложнее, чем в случае простой пластины.

Датчик анализа материалов состоит из основной пластины, показанной на рисунке с). Для анализа материала используется эффект изменения проницаемости между пластинами при добавлении или удалении материала. Незагруженный датчик использует в качестве диэлектрика воздух. При попадании в этот воздушный зазор материала, например бумаги, электрическая емкость полученного таким образом конденсатора увеличится, соответственно изменение отслеживаются и передаются в контроллер, который и обрабатывает данные значения, вычисляя, таким образом, тип и свойства материала.

Экранирование и емкостные измерения

Одной из проблем емкостных приборов измерения приближений является то, что силовые линии будут распространятся на любые соседние ячейки с потенциалом земли. Многие паразитные явление (например, ground traces (путь на поверхности Земли оставленный самолетом или спутником )) влияют на чувствительность и расстояние обнаружения датчиком. Данное явление представляет собой проблему для чувствительных к шуму систем.

Паразитные эффекты на печатных платах (а), влияющие на качество работы устройства уменьшают с помощью защитных электродов. Драйверы защитного экрана включают в интерфейсные устройства емкостных датчиков и специализированных микроконтроллеров.

Добавление активного экрана может помочь избавится от паразитных влияний на окружающую среду и позволит использовать максимальный потенциал устройства. Хорошо спроектированный активный экран будет направлен на выход датчика и будет направлять его сигнал в нужном направлении.

Драйвер защиты является активным выходом, который работает от того же напряжения что и само устройство. Таким образом, не будет возникать никакой разности потенциалов между экраном и входом устройства. Любое внешнее вмешательство вызовет минимальное взаимодействие между экранированным электродом и измерительным электродом.

Блок диаграмма работы емкостного датчика

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровую форму, которая пригодна для дальнейшей обработки:

Интерфейс периодически опрашивает измерительное устройство и подает сигнал, необходимый для зарядки сенсорной пластины. Частота дискретизации выходного сигнала относительно медленная, около 500 выборок в секунду, но с высоким разрешением. Это необходимо для определения небольших различий емкости. 16-разрядный сигма-дельта АЦП обеспечивает хороший компромисс между скоростью, разрешением и низким энергопотреблением.

Многоканальные устройства могут проводить дифференциальные измерения для точного представления разности емкости между двумя датчиками. Например, если на емкость оказывают существенное влияние погодные условия, то один канал может быть посвящен погодным условиям и отслеживать изменения в диэлектриках, вызванные температурой, влажностью, типом материала и так далее. Дифференциальное измерение способно повышать точность благодаря внесению правок, связанных с работой какого-то канала.

При измерении уровня жидкости один канал измеряет емкость, связанную с уровнем жидкости, а второй канал для опорного датчика, который измеряет электрическую емкость нулевого уровня. Так как емкость пропорциональна высоте уровня жидкости, то измеряемый уровень жидкости будет равен разности или отношению между датчиком уровня и датчиком нулевого уровня.

Читайте также:  Держатели для электроинструмента из водопроводных отводов

LC фильтры как основа емкостного измерения

Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.

Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.

Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.

Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.

Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.

Вывод

Емкостное измерение является гибкой технологией, которая становится все более популярна. Его низкая стоимость и низкое энергопотребление делают его идеальным выбором для широкого круга приложений, как в бытовой сфере, так и в промышленной.

Ёмкостные уровнемеры для жидкости

Это уровнемеры, проводящие измерения электрической емкости конденсаторного преобразователя (образуется пластинами или стержнями, что вводится в жидкость), и преобразующие эти измерения в уровень жидкости.

Существуют разные конструкции емкостных уровнемеров, позволяющие измерять емкость электропроводных и неэлектропроводных жидкостей (к электропроводным относятся те, у которых удельное сопротивление меньше 106 Ом*м). В случае работы с электропроводными жидкостями один из пластинчатых или стержневых электродов изолируется, а для неэлектропроводных оба остаются без изоляции.

Принцип действия емкостного уровнемера

В конструкцию емкостного уровнемера входит два основных элемента. Это емкостной датчик в виде стержня или кабеля цилиндрической либо плоской формы и вторичный преобразователь. Основу прибора составляет чувствительный электрический конденсатор, четко фиксирующий все изменения в диэлектрической проницаемости среды. При соприкосновении с жидкостью определяется емкость конденсатора, связанная с нею величина уровня жидкости в емкости, а затем полученные значения преобразуются в выходной сигнал, который и передается на внешнее оборудование для контроля.

Весь принцип действия таких уровнемеров основан на том, что у жидкостей и газового пространства над ними разные электрические свойства. Чувствительные элементы, погруженные в жидкость, определяют емкость, а вторые обкладки, остающиеся «снаружи», так же делают замеры, и на основании этих сведений делаются выводы о высоте жидкостного столба.

Что касается системы электродов, то она может различаться в зависимости от модели. В большинстве случаев – это металлические плоские пластины либо полые цилиндры.

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:

  • Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
  • Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
  • Системы водоснабжения и водоотведения;
  • Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
  • ЖКХ и сельское хозяйство;
  • Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
  • Фармацевтические компании.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня. Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля. В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.

Преимущества емкостных уровнемеров для жидких веществ

Емкостные датчики уровня для жидких веществ отличаются от других типов измерителей уровня такими достоинствами:

  • Могут проводить замеры в емкостях с разными типами жидкостей, отличающихся не только по составу, но и по физическим свойствам (по температуре, плотности, степени электропроводности);
  • Обеспечивают быстрый отклик, отличаются высокой чувствительностью к изменениям;
  • Допускаются для работы с агрессивными, опасными жидкостями;
  • Могут работать даже в вакууме, то есть широкий диапазон давления жидкости в емкости не будет препятствием для проведения измерений;
  • В конструкции нет подвижных элементов, что обеспечивает надежность, безопасность и долговечность эксплуатации.

Однако поправку чувствительности придется производить под каждый новый вид продукта. Кроме того, для работы с вязкими, кристаллизующимися и взрывоопасными жидкостями такие устройства не подходят (они чувствительны к налипаниям на зонд).

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость преобразователя, которая зависит от уровня, рассчитывают по формуле

Спр = Си + С1С2/(С1 + С2), где:

  • С1 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности электрода и электропроводной жидкости;
  • С2 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности жидкости (размещается там же, где и обкладка С1) и на поверхности емкости (резервуара или бака);
  • Си – емкость проходного изолятора.

Всегда учитывают, что при увеличении высоты жидкости С1 и С2 растут, поскольку увеличивается площадь обкладки.

Схема подключения ёмкостного уровнемера

Емкостной датчик уровня для топливных или стационарных топливных баков может подключаться по цифровой или аналоговой схеме с использованием изолированной CAN-шины и контроллера. Также используется двухпроводная схема подключения, позволяющая непрерывно контролировать уровень жидкости. Кроме того, отдельные модели можно монтировать с использованием трубной насадки или с кабельным пробником.

Поскольку емкостные уровнемеры измеряют емкость конденсатора, а изолятором-диэлектриком служит продукт измерения, то для точного проведения работ приборы можно устанавливать только в емкости с металлическими стенками, причем та из стенок, куда будет выполняться крепление должна быть расположена строго параллельно зонду.

После подключения выполняют контрольный запуск, проводят калибровку на абсолютно пустой и полностью заполненной емкости.

В компании «Измеркон» предлагают емкостные датчики контроля уровня топлива с полным описанием и инструкцией по подключению (представлены схемы в зависимости от интерфейса).

Что такое емкостные датчики уровня

Емкостные датчики уровня – это универсальный бюджетный вариант детектирования граничных (максимального или минимального) значений уровня в разных отраслях промышленности, ЖКХ.

Они основываются на физическом принципе измерения ёмкости конденсатора, образованного сенсором датчика.

Простейшее такое устройство состоит из металлического чувствительного элемента (стержня зонда, провода) – электрода, расположенного в металлической трубке.

Особенность их применения в большей степени определяется и ограничивается диэлектрической проницаемостью тех материалов, которые предполагается контролировать.

Емкостными датчиками сложно измерять уровень продуктов с низкой диэлектрической проницаемостью, а также уровень материала, у которого диэлектрическая проницаемость зависит, например, от температуры этого продукта.

Емкостные датчики разделяют на сигнализаторы и уровнемеры. Различия в решаемых задачах:

  1. Емкостные уровнемеры – для непрерывного измерения уровня;
  2. Емкостные сигнализаторы – для контроля уровня и передачи дискретного сигнала о достижении предельного уровня измеряемого вещества.

Существуют радиочастотные емкостные датчики, и это уже более современная технология, которая появилась порядка 10 лет назад и в своей основе использует принцип изменения частоты генератора за счёт изменения диэлектрической проницаемости контролируемого материала.

Эти датчики более универсальны и могут использоваться как при больших, так и малых значениях диэлектрической проницаемости. Поэтому, если рассматривать особенности применения, есть смысл рассматривать их отдельно от классических датчиков.

Далее подробно разберём, с какими средами показатель точности будет выше, а где датчики на основе ёмкостного принципа действия применять не рекомендуется.

В какой ёмкости проводить измерения с помощью ёмкостных датчиков

Такие датчики можно установить в любую металлическую ёмкость и без вспомогательных средств, просто устанавливается прибор, и всё работает.

Металлический резервуар может быть в качестве второго электрода для такого датчика. А для пластиковой ёмкости емкостный датчик уровня нужно брать с коаксиальным электродом, который будет являться ответной частью датчика, либо установить дополнительный электрод.


Измеряемая среда – вода и водные растворы, чистые жидкости без примесей

Относительно использования емкостных уровнемеров и сигнализаторов в водных растворах проблем никаких нет.

Оптимальное применение, естественно, вода, растворы на её основе. Емкостные уровнемеры и сигнализаторы дешёвые, удобные средства, достаточно надежные для жидкостей с постоянной и высокой диэлектрической проницаемостью.

Однако, если мы говорим об измерении уровня других жидкостей, то надо учесть, что они могут быть с пеной. Например, молоко.

Диэлектрическая проницаемость пены не соответствует диэлектрической проницаемости молока, потому что состоит из воздуха и молока, соответственно, и её диэлектрическая проницаемость будет приближаться больше к диэлектрической проницаемости воздуха, и обычный емкостной датчик на пену срабатывать не будет.

Поэтому, если стоит задача не упустить значение уровня совместно с какими-то особенностями, допустим, с той же самой пеной, то к контролю жидкости следует подходить с осторожностью с применением емкостных датчиков уровня, выполненных по классической схеме.

В таких процессах, где есть пенообразование или испарение, более уместно применение радиочастотных моделей.


Жидкости с примесью, масло

Относительно работы со смесями. (Например, изготавливают майонез, кетчуп или что-то в этом роде.)

Можно установить в емкости с миксером, но именно в исполнении с коаксиальным зондом, так как коаксиальный зонд повышает точность и не реагирует при этом на волнения во время перемешивания.

Дальше поговорим по топливной промышленности, производству дизельного топлива, т.д.

Не рекомендуется применять на таких продуктах как дизельное топливо, бензин, керосин, у которых от температуры меняется показатель диэлектрической проницаемости. При низкой температуре он один, а при высокой температуре – другой.

Соответственно, в баке с дизельным топливом по факту уровень самого продукта меняться не будет, а датчик будет показывать, что изменения есть.

Тут уже возникают некоторые ограничения.

Если говорить об измерении/контроле уровня сыпучих материалов с помощью емкостных датчиков, то однозначно рекомендуем радиочастотные датчики. Ведь, как правило, у классических емкостных применение на сыпучие материалы возможно, но точность измерений зависит от многих факторов:

  • плотность продукта, так как там может быть минимальное количество воздуха между фракциями;
  • разная влажность продукта на разных уровнях, например, сверху и снизу резервуара;
  • зависимость от размера гранул, от среды;
  • не всегда постоянная диэлектрическая проницаемость;
  • высокая вероятность нагрева.

А вот применение радиочастотных датчиков уровня позволяет довольно чётко производить измерение сыпучих материалов как с изменяющейся (непостоянной) влажностью, так и с низкой диэлектрической проницаемостью.

Кроме того, радиочастотные измерительные приборы на основе емкостного принципа позволяют подстраиваться от наложений на сами зонды датчика в виде пыли, налипаний, грязи и т.д. То есть данные датчики не подвержены воздействию внешних факторов и с успехом справляются с возложенными на них задачами по контролю сыпучих материалов.

Если давать рекомендации по применению емкостных датчиков на производстве, то это химическая, пищевая промышленности, фармацевтика, энергетика, металлургия, горнодобывающая отрасль, системы водоочистки и водоподготовки.

А вот переработка нефти – однозначно не подойдёт, если это не подтоварная вода или конденсат.

Для работы с конкретным видом вещества следует подбирать специализированное измерительное устройство
с необходимым уровнем чувствительности, изготовленное из подходящих для каждого вещества материалов.

Поэтому, прежде чем выбрать емкостный датчик по конкретную задачу,
стоит проконсультироваться со специалистами ООО « РусАвтоматизация » .

Ссылка на основную публикацию