Kapacitné snímače

Kapacitný snímač sa nazýva prevodník parametrického typu, kde sa zmena nameranej hodnoty prevádza na zmenu kapacity.

Aplikácie kapacitných snímačov

Možnosti použitia kapacitných snímačov sú mimoriadne rozmanité. Používajú sa v systémoch regulácie a riadenia priemyselných procesov takmer vo všetkých priemyselných odvetviach. Kapacitné snímače sa používajú na riadenie plnenia nádrží tekutými, práškovými alebo granulovanými látkami, ako sú koncové spínače na automatizovaných linkách, dopravníkoch, robotoch, obrábacích centrách, obrábacích strojoch, v signalizačných systémoch, na polohovanie rôznych mechanizmov a pod.

V súčasnosti sú najrozšírenejšie snímače blízkosti (prítomnosti), ktoré majú okrem spoľahlivosti aj široké spektrum výhod. S relatívne nízkymi nákladmi pokrývajú snímače priblíženia široký rozsah smerovosti pri ich aplikácii vo všetkých odvetviach. Typické oblasti použitia kapacitných snímačov tohto typu sú:

• signalizácia plnenia plastových alebo sklenených nádob;

• kontrola úrovne naplnenia priehľadných obalov;

• alarm prasknutia cievky;

• nastavenie napnutia remeňa;

• čiastkový účet akéhokoľvek druhu atď.

Kapacitné lineárne a uhlové snímače sú najbežnejšie zariadenia, široko používané v strojárstve a doprave, stavebníctve a energetike, v rôznych meracích komplexoch.

Pomerne novými zariadeniami, ktoré sa v posledných rokoch dostali do širokého priemyselného využitia, sa stali malé kapacitné sklonomery s elektrickým výstupným signálom úmerným uhlu sklonu snímača…. Za hlavné možno považovať tieto oblasti použitia sklonomerov: použitie v plošinových nivelačných systémoch, zisťovanie odchýlok a deformácií rôznych typov podpier a nosníkov, kontrola uhlov sklonu ciest a železníc pri ich výstavbe, opravách a prevádzke, určovanie odchýlok a deformácií rôznych typov podpier a nosníkov, kontrola uhlov sklonu komunikácií a železníc pri ich výstavbe, opravách a prevádzke. určovanie nakláňania áut, lodí a podvodných robotov, kladkostrojov a žeriavov, bagrov, poľnohospodárskych strojov, určovanie uhlového posunu rôznych druhov rotujúcich predmetov - hriadele, kolesá, mechanizmy prevodoviek na stacionárnych aj pohyblivých predmetoch.

Kapacitné hladinové snímače sa používajú v riadiacich systémoch, regulácii a riadení výrobných procesov v potravinárskom, farmaceutickom, chemickom, ropnom priemysle. Sú účinné pri práci s kvapalinami, sypkými materiálmi, suspenziami, viskóznymi látkami (vodivými aj nevodivými), ako aj v podmienkach kondenzácie, prašnosti.

Kapacitné snímače sa tiež používajú v rôznych priemyselných odvetviach na meranie absolútneho a pretlaku, hrúbky dielektrických materiálov, vlhkosti vzduchu, napätia, uhlových a lineárnych zrýchlení atď.

Výhody kapacitných snímačov oproti iným typom snímačov

Kapacitné snímače ponúkajú množstvo výhod oproti iným typom snímačov. Medzi ich výhody patrí:

• jednoduchosť výroby, použitie lacných materiálov na výrobu; — malé rozmery a hmotnosť; — nízka spotreba energie; - vysoká citlivosť;

• nedostatok kontaktov (v niektorých prípadoch - jeden zberač prúdu);

• dlhá životnosť;

• potreba veľmi malých síl na pohyb pohyblivej časti kapacitného snímača;

• jednoduchosť prispôsobenia tvaru snímača rôznym úlohám a dizajnom;

Nevýhody kapacitných snímačov

Nevýhody kapacitných snímačov zahŕňajú:

• relatívne malý prevodný (konverzný) koeficient;

• vysoké požiadavky na tieniace časti;

• potreba pracovať na vyššej (v porovnaní s 50 Hz) frekvenciou;

Vo väčšine prípadov je však možné dosiahnuť dostatočné tienenie vďaka konštrukcii snímača a prax ukazuje, že kapacitné snímače dávajú dobré výsledky pri široko používanej frekvencii 400 Hz. Inherentný kondenzátory okrajový efekt sa stáva významným len vtedy, keď je vzdialenosť medzi doskami porovnateľná s lineárnymi rozmermi uvažovaných plôch. Tento efekt je možné do určitej miery eliminovať pomocou ochranného krúžku, ktorý umožňuje posunúť jeho vplyv za hranice povrchu skutočne používaných dosiek na meranie.

Kapacitné snímače sú pozoruhodné svojou jednoduchosťou, ktorá umožňuje robustný a spoľahlivý dizajn. Parametre kondenzátora závisia iba od geometrických charakteristík a nezávisia od vlastností použitých materiálov, ak sú tieto materiály správne zvolené. Vplyv teploty na povrchové zmeny a rozostupy dosiek môže byť preto zanedbateľne malý výberom vhodnej triedy kovu pre dosky a izolácie pre ich pripevnenie. Zostáva len chrániť snímač pred faktormi prostredia, ktoré môžu zhoršiť izoláciu medzi doskami - pred prachom, koróziou, vlhkosťou, ionizujúcim žiarením.

Cenné vlastnosti kapacitných snímačov – malé množstvo mechanickej sily potrebnej na pohyb ich pohyblivej časti, schopnosť nastaviť výstup sledovacieho systému a vysoká presnosť prevádzky – robia kapacitné snímače nenahraditeľnými v zariadeniach, kde chyby dosahujú len stotiny a dokonca aj sú povolené tisíciny percent.

Typy kapacitných meničov a ich konštrukčné vlastnosti

Kapacitný snímač je zvyčajne plochý alebo valcový kondenzátor, ktorého jedna doska podlieha riadenému pohybu, čo spôsobuje zmenu kapacity. Pri zanedbaní konečných efektov možno kapacitu plochého kondenzátora vyjadriť takto:

kde ε Relatívna dielektrická konštanta média uzavretého medzi doskami, C a e - plocha uvažovaných dosiek a podľa toho vzdialenosť medzi nimi.

Kapacitné prevodníky je možné použiť na meranie rôznych veličín v troch smeroch v závislosti od funkčného vzťahu meranej neelektrickej veličiny s nasledujúcimi parametrami:

• premenlivá dielektrická konštanta média ε;

• prekrývajúca sa plocha dosiek C;

• rozdielna vzdialenosť medzi doskami e.

V prvom prípade možno na analýzu zloženia látky použiť kapacitné prevodníky, pretože dielektrická konštanta je funkciou vlastností látky. V tomto prípade bude prirodzenou vstupnou hodnotou konvertora zloženie látky vypĺňajúcej priestor medzi doskami. Kapacitné prevodníky tohto typu sú široko používané najmä pri meraní obsahu vlhkosti pevných látok a kvapalín, hladiny kvapaliny, ako aj pri určovaní geometrických rozmerov malých predmetov. Vo väčšine prípadov praktického využitia kapacitných meničov je ich prirodzenou vstupnou hodnotou geometrický posun elektród voči sebe.Na tomto princípe sú založené snímače lineárneho a uhlového posunu, prístroje na meranie síl, vibrácií, rýchlosti a zrýchlenia, snímače pre snímače priblíženia, tlaku a napätia (extenzometre).

Klasifikácia kapacitných snímačov

Z hľadiska implementácie možno všetky kapacitné meracie prevodníky rozdeliť na jednokapacitné a dvojkapacitné snímače. Posledne menované sú diferenciálne a polodiferenciálne.

Jediný kapacitný snímač má jednoduchý dizajn a je to jeden variabilný kondenzátor. Medzi jeho nevýhody patrí výrazný vplyv vonkajších faktorov, ako je vlhkosť a teplota.Na kompenzáciu týchto chýb aplikujte diferenciálne konštrukcie... Nevýhodou takýchto snímačov oproti jednokapacitným je potreba aspoň troch (namiesto dvoch) tienených prepojovacích vodičov medzi snímačom a meracím zariadením na potlačenie tzv. nazývané parazitné kapacity. Táto nevýhoda sa však vypláca výrazným zvýšením presnosti, stability a rozšírením oblasti použitia takýchto zariadení.

V niektorých prípadoch je z konštrukčných dôvodov ťažké vytvoriť diferenciálny kapacitný snímač (to platí najmä pre diferenciálne snímače s premenlivou medzerou). Ak je však zároveň vzorový kondenzátor umiestnený v tom istom puzdre s pracovným a sú čo najviac zhodné dizajnom, rozmermi a použitými materiálmi, potom bude oveľa nižšia citlivosť celého zariadenia na vonkajšie destabilizujúce vplyvy. zaistené . V takýchto prípadoch môžeme hovoriť o semidiferenciálnom kapacitnom snímači, ktorý rovnako ako diferenciálny označuje dvojkapacitný.

Špecifickosť výstupného parametra dvojobjemových snímačov, ktorý je reprezentovaný ako bezrozmerný pomer dvojrozmerných fyzikálnych veličín (v našom prípade kapacít), dáva dôvod nazývať ich pomerovými snímačmi. Pri použití duálnych kapacitných snímačov nemusí merací prístroj obsahovať vôbec žiadne štandardné kapacitné merania, čo prispieva k zvýšeniu presnosti merania.

Lineárne snímače posunu

Neelektrických veličín, ktoré sa majú merať a kontrolovať, je mnoho a sú rôzne. Významnú časť z nich tvoria lineárne a uhlové posuny. Na základe kondenzátora, ktorý elektrické pole V pracovnej medzere možno rovnomerne vytvoriť dva hlavné typy kapacitných snímačov posunu:

• s variabilnou plochou elektród;

• s premenlivou medzerou medzi elektródami.

Je celkom zrejmé, že prvé sú vhodnejšie na meranie veľkých posunov (jednotky, desiatky a stovky milimetrov) a druhé na meranie malých a ultra malých posunov (časti milimetra, mikrometre a menej).

Uhlové kódovače

Kapacitné prevodníky s uhlovým posunom sú v princípe podobné ako kapacitné prevodníky s lineárnym posunom a v prípade nie príliš malých rozsahov merania (od jednotiek stupňov) sú vhodnejšie aj plošné snímače a kapacitné snímače s premenlivou uhlovou medzerou možno úspešne použiť na meranie malých a ultra malých uhlových posunov. Pre uhlové posuny sa zvyčajne používajú viacdielne prevodníky s premenlivou plochou kondenzátorovej dosky.

V takýchto snímačoch je jedna z elektród kondenzátora pripevnená k hriadeľu objektu a počas otáčania je posunutá vzhľadom na stacionárnu, čím sa mení oblasť prekrytia dosiek kondenzátora. To následne spôsobí zmenu kapacity, ktorú zachytí merací obvod.

Sklonomery

Sklonomer (snímač náklonu) je diferenciálny kapacitný prevodník náklonu, ktorý obsahuje snímací prvok v tvare kapsuly.

Kapacitný sklonomer

Kapsula pozostáva zo substrátu s dvoma plochými elektródami 1, pokrytými izolačnou vrstvou, a telesa 2, hermeticky pripevneného k substrátu.Vnútorná dutina telesa je čiastočne vyplnená vodivou kvapalinou 3, ktorá je spoločnou elektródou citlivý prvok.Spoločná elektróda tvorí s plochými elektródami diferenciálny kondenzátor. Výstupný signál snímača je úmerný hodnote kapacity diferenciálneho kondenzátora, ktorá je lineárne závislá od polohy puzdra vo vertikálnej rovine.

Sklonomer je navrhnutý tak, aby mal lineárnu závislosť výstupného signálu od uhla sklonu v jednej takzvanej pracovnej rovine a prakticky nemení hodnoty v druhej (nepracovnej) rovine, pričom jeho signál je slabo závislý od teploty. zmeny. Na určenie polohy roviny v priestore sa používajú dva sklonomery umiestnené navzájom pod uhlom 90 °.

Malé sklonomery s elektrickým výstupným signálom úmerným uhlu sklonu snímača sú relatívne nové zariadenia. Ich vysoká presnosť, miniatúrna veľkosť, nedostatok pohyblivých mechanických jednotiek, jednoduchá inštalácia na mieste a nízka cena spôsobujú, že je vhodné ich použiť nielen ako snímače nakláňania, ale aj nahradiť nimi snímače uhla, a to nielen stacionárne, ale aj pohyblivé. predmety.

Kapacitné snímače hladiny kvapaliny

Kapacitný vysielač na meranie hladiny nevodivej kvapaliny pozostáva z dvoch paralelne zapojených kondenzátorov

Senzory tlaku

Jednou zo základných konštrukcií kapacitného tlakového prevodníka je jeden stator, ktorý sa používa na meranie absolútneho tlaku (elektrické snímače tlaku).

Takýto snímač pozostáva z kovového článku rozdeleného na dve časti tesne natiahnutou plochou kovovou membránou, na ktorej jednej strane je pevná elektróda izolovaná od tela.Membránová elektróda tvorí premenlivú kapacitu, ktorá je súčasťou meracieho obvodu. Keď je tlak na oboch stranách membrány rovnaký, prevodník je vyvážený. Zmena tlaku v jednej z komôr deformuje membránu a mení kapacitu, ktorá je fixovaná meracím obvodom.

V dvojstaničnom (diferenciálnom) prevedení sa membrána pohybuje medzi dvoma pevnými doskami a do jednej z dvoch komôr je privádzaný referenčný tlak, ktorý zabezpečuje priame meranie diferenčného (nadmerného alebo diferenčného) tlaku s najmenšou chybou.