Capacitive sensors: aparatūra un darbības princips. Capacitive sensori: pieteikums

Mūsdienu industriju, kā arī cilvēku ikdienas cilvēka darbību nevar iedomāties bez jebkādām elektroniskām ierīcēm. Viņi mums palīdz visādā ziņā, un daži tehnoloģiski pasākumi bez tiem vispār nebūs iespējami. Šādiem "palīgiem" vajadzētu attiecināt arī uz kapacitīvu sensoru.

Tieši to sauc par pārveidotājiem, kas ražoti atbilstoši parametru tipam. Dažu tilpumu mērīšana ar šādām ierīcēm tiek veikta kapacitīvās pretestības svārstību dēļ, kad mainās daži svarīgi parametri. Vienkārši runājot, kondensatora kapacitātes izmaiņas tiek vērtētas dažu ārējo faktoru ietekmē.

Kapacitātes sensora darbības princips

Tas ir kapacitatīvie sensori. Viņu darba princips nav tik sarežģīts, bet, lai to saprastu, jums kaut ko jāzina. Vispirms atcerēsim kondensatora kapacitātes noteikšanas principu. Šo darbību izsaka, izmantojot šādu formulu:

C = εεₒS / δ.

Šis izteiciens ir zināms daudziem no skolas fizikas kursa, taču tas nekaitē, lai atsvaidzinātu atmiņu un atcerētos, ko nozīmē katrs mainīgais:

• S ir kondensatora plāksnes laukums.
• Ε ir dielektriskā materiāla relatīvā caurlaidība, ko izmanto kondensatora konstrukcijā.
• Εₒ - tā fizikā ir ierasts apzīmēt vakuuma dielektrisko konstanti.
• Δ - tas var būt vai nu dielektriskās plāksnes biezums, vai attālums starp vairākiem materiāla slāņiem.

Tādējādi no iepriekš minētās formulas izriet, ka ir viegli mainīt kondensatora kapacitāti. Pietiek kaut kā darboties dielektriskā materiāla plāksnes laukumā, attālumā starp plāksnēm vai tieši uz ražošanā izmantojamā materiāla caurlaidību. Attiecīgi konkrētas vērtības izvēle ir atkarīga tikai no uzdevumu saraksta, ko dizaineri ir novietojuši ierīces priekšā.

Tādējādi pat ar spēju sensoru var izveidot ar savām rokām, jo no konstruktīvā viedokļa tas ir parasts plakans vai cilindrisks kondensators, no kura viena plāksne nepārtraukti kontrolē kustību telpā, kā rezultātā notiek jaudas izmaiņas. Jāatceras, ka iepriekš minētā formula ir pareiza tikai tad, ja jūs pilnībā atstājat malu efektus. Mēs par to runāsim šā panta pēdējā daļā.

Ir jāzina, ka šādas elektroniskās ierīces intensīvi tiek izmantotas objektu leņķisko un lineāro kustību mērīšanai, izmēru, pielietojuma, mitruma, aktīvās vielas koncentrācijas un citu īpašību aprēķināšanai. Attiecībā uz konstruktīvo problēmu pusi šie instrumenti tiek ražoti ar plakanu paralēli, cilindriskos korpusos, ar pin elektrodi, ar dielektriskā materiāla starpliku un bez tā.

Lūk, kā darbojas kapacitatīvie sensori. Dažu no tiem darbības princips ir jāzina īpaši detalizēti. Šī raksta ietvaros mēs sniedzam dažas formulas, kas jums var būt noderīgas.

Dažu sensoru tipu darbības principu apraksta formulas

Līmeņa sensors ar iespējamām izmaiņām dielektrisko plākšņu laukumā var būt diezgan viegli aprakstīts, izmantojot šādu vienādojumu:

C = εεₒaX / δ.

Šajā gadījumā "X" ir izmantoto elektrodu pārklāšanās garums. Attiecīgi "a" apzīmē paša kondensatora plākšņu platumu. Jāatzīmē, ka šādi instrumenti ir izmantoti dažādās rūpniecības nozarēs, kur tos izmanto, lai precīzi noteiktu leņķisko daudzumu. Pārveidotāja jauda tiek noteikta ar šādu izteiksmi:

C = εεₒ (r2-r1) / 2δ * (φₒ-φ).

Lai precīzi novērtētu jutību, jāizmanto nedaudz atšķirīga formula:

K = εεₒ (r2-r1) / 2δ.

Apskatīsim, ko nozīmē šie mainīgie lielumi, kas ir daļa no šiem vienādojumiem:

• R1 ir kondensatora plāksnes iekšējais rādiuss;
• R2 ir vienas plāksnes ārējais rādiuss;
• Φ ir pārklājuma leņķa pašreizējā (pašreizējā) vērtība;
• Φₒ ir pārklājuma leņķa sākotnējā vērtība.

Visbeidzot, mēs analizēsim matemātisko izteiksmi, kas raksturo kapacitatīvā skaitītāja darbības principu ar mainīgu gaisa spraugu:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Nav grūti uzminēt, ka δₒ ir galvenā plaisa, bet tā pati burts X apzīmē plāksnes pārvietojumu. Pievērsiet uzmanību! Tā kā statiskie raksturlielumi nav stingri lineāri, parasti šā tipa līmeņa sensors tiek izmantots ļoti nelielu pārvietojumu mērīšanai, kuru lielums nepārsniedz 0,1 ° / s. Protams, šīm ierīcēm ir liels pieprasījums pēc precizitātes inženierijas, kur pat mazāka kļūda var radīt pietiekami nopietnas problēmas.

Kur tos var izmantot?

Iespējamās piemērošanas jomas ir ļoti atšķirīgas. Tātad gandrīz visās nozarēs var atrast darbības, kuras kontrolē šīs ierīces. Tos izmanto, lai kontrolētu dažādu tvertņu uzpildi, un to saturs var būt šķidrs, granulēts vai gāzveida (gāzes sensors).

To izplatība rūpniecībā un parastā cilvēka ražošanā ir augstāka, jo drošāka un vienkāršāka šādu ierīču konstrukcija. Šo zīmju kopumam tie ir tik labi, ka tos var izmantot arī naftas tankkuģu turiet neticami agresīvos apstākļos.

Turklāt kapacitatīvo sensoru var izmantot kā ierobežojošo slēdzi uz konveijera līniju vai ražošanas zāles darbgaldu. Tas ir arī nepieciešams, lai precīzi noteiktu dažādus mehānismus.

Proximitātes sensori

Bet pašlaik tuvuma sensori ir īpaši pieprasīti , un tie tiek izpildīti tieši tādā pašā veidā. To lietošanas diapazons ir vēl plašāks. Tas ir saistīts ar ierīces pensijas vērtību un spēju strādāt gandrīz visos rūpniecības veidos. Tomēr ir raksturīgas nozares, kurās šāda veida ierīces ir vispieprasītākās:

• Plastmasas vai stikla šķidru cauruļu pildījumu kontrole.
• Tāda pati funkcija tiek veikta pārtikas produktu (tostarp bērnu) ražošanā, kur gatavās preces tiek iepakotas caurspīdīgu materiālu konteineros. Tajā pašā principā ir balstīts šādu instrumentu darbs kā kapacitatīvs degvielas sensors.
• Lai kontrolētu bīstamas zonas, kurās likvidācijas stieple ir salauzta.
• Kontrolējiet līdzīgas vietas, kur var tikt bojāts konveijera lentes.
• Saražotā produkta veida daļas kontrole (kārbu, pudeles, iepakojumu pārrēķins).

Nav pārsteidzoši, ka šīs elektroniskās ierīces ir visizplatītākā precizitātes inženierijā, enerģētikā un daudzās citās nozarēs - dažādi sensori.

Inklinometri

Instrumenti, kas pēdējos gados kļuvuši relatīvi izplatīti, ir mazi kapacitatīvi incinilometri, kas nodrošina elektrisko izejas signālu, kura lielums ir tieši proporcionāls izmantojamā sensora slīpuma leņķim.

Visbiežāk galvenās šo instrumentu izmantošanas jomas ir platformu izlīdzināšanas sistēmas, kas nosaka dažādu atbalsta siju deformācijas un tehniskās deformācijas apjomu, kā arī precīzāko ceļa un dzelzceļa slīpuma kontroli to būvniecības stadijā.

Turklāt ar šādu ierīču palīdzību tiek noteikts smago transportlīdzekļu un citu transportlīdzekļu, pacēlāju un rūpniecisko ekskavatoru ritenis un tiek noteikts leņķisko pārvietojumu pakāpe saistībā ar īpaši liela izmēra lauksaimniecības un rūpniecības iekārtām.

Esošie degvielas līmeņa sensori naftas rūpniecībā ir ļoti svarīgi. Tie tiek izmantoti arī uz supertankeriem, kuri vienā lidojumā pārvadā desmitiem un simtiem tūkstošu tonnu pārstrādātu naftas produktu. Šīs ierīces ir ļoti efektīvas pat ļoti bagātīgā kondensāta veidošanās apstākļos un augsta līmeņa putekļainībā ražošanas telpā (tas pats gāzes sensors).

Viņi atrod savu pielietojumu, mērot absolūtā un relatīvā spiediena līmeņus, kā arī dielektriskā materiāla biezumu, kas ir ārkārtīgi svarīgs gandrīz visās nozarēs, kurās tiek izmantoti ļoti spēcīgi kondensatori.

Galvenās kapacitāšu sensoru priekšrocības

Jāatzīmē, ka capacitive sensors ir daudz priekšrocību, salīdzinot ar līdzīgām ierīcēm, kuras tiek veiktas saskaņā ar nedaudz atšķirīgiem principiem. Nosauciet galvenās šo instrumentu priekšrocības:

• Ražošanā tie ir ļoti vienkārši. Bez tam, to ražošanā var izmantot vienkāršākos un lētākos materiālus. Pat kapacitīvie degvielas līmeņa sensori, kurus izmanto svarīgās naftas rūpniecības iekārtās, ir ļoti pieticīgi un ar viszemāko iespējamo elektrības patēriņa līmeni. Ar visām šīm īpašībām tās izceļas ar izcilu jutīguma līmeni, kas bieži vien nav pieejams dārgākām ierīcēm.
• Principā jūs varat izveidot kapacitatīvo sensoru pats, izmantojot to kā pamatu vairāk vai mazāk uzticamu un kvalitatīvu rūpniecisko kondensatoru.
• Viņiem nav kontaktu (ļoti reti izmanto vienu strāvas kolektoru), kas ir ārkārtīgi izdevīgs darbam telpā ar lielu putekļu saturu un mitrumu.
• Kalpošanas laiks ir ļoti garš, ierīce atkārtoti spēj "atstumt" tās zemās izmaksas. Tātad kapacitīvs sensors (kura cena ir robežās 1200-1700 rubļu) ir ārkārtīgi ienesīga iegāde.
• Lai pārvietotu ierīces kustīgo daļu, pārsteidzoši pietrūkst.
• Ierīci ir ļoti viegli apvienot ar gandrīz visām aprīkojuma kategorijām, kuras tiek izmantotas tikai rūpnieciskām darbībām.

Negatīvie mirkļi

Diemžēl katram kapacitīvam sensoram ir zināmi trūkumi, kas zināmā mērā kavē plaša mēroga šāda veida aprīkojuma izmantošanu. Noskaidrojiet tos sīkāk:

• Konversijas koeficients (t.i., pārraide) ir relatīvi zems.
• Dizaina nelielais izmērs un vienkāršība veicina to, ka tiek izvirzītas pārāk augstas prasības skrīninga ierīču kvalitātei.
• Labs kapacitīvā līmeņa sensors (un citas līdzīgas mērīšanas ierīces) var efektīvi darboties tikai frekvencē, kas ir daudz augstāka nekā standarta vērtība 50 Hz.

Svarīgas piezīmes

Tomēr viss nav tik slikti. Daudzi ražotāji nodrošina lieliskus sensoru skrīninga raksturlielumus, veicot minimālas izmaiņas to dizainā. Kas attiecas uz izmantošanas biežumu, praksē tie parāda lieliskus rezultātus ar rūpniecībai plaši izmantoto vērtību 400 Hz.

Mēs jau esam runājuši par pamata formulas derīgumu tikai tad, ja malu efekts tiek ignorēts. Bet ir noderīgi uzzināt, ka tas patiešām var negatīvi ietekmēt tikai tad, ja attālums starp dielektriskām plāksnēm ir salīdzināms ar to izmēriem. Turklāt negatīvo efektu lielā mērā var izlīdzināt, vienkārši izmantojot aizsardzības gredzenu. Šajā gadījumā efekta ietekmes robežas var pārsniegt izmantotās plāksnes.

Vēlreiz atzīmējam, ka vieni un tie paši spiediena sensori atšķiras ar ievērojamu vienkāršību, kas ļauj uz brīnuma izveidot stabilus, izturīgus un lētus dizainus. Ja jūs pareizi izvēlaties izmantotā dielektriskā ģeometriskos izmērus, jūs nevarat uztraukties par materiāliem, ko izmanto šāda kondensatora ražošanā.

Tādējādi, pareizi izvēloties metāla atzīmi sensoru korpusa ražošanai, praktiski pat var nolaidīt pat spēcīgās temperatūras svārstības, kas var izraisīt ierīces jaudas izmaiņas un tā rādījumu nepietiekamību. Protams, tas neizslēdz vajadzību rūpīgi izolēt spiediena sensorus un citus līdzīgus rādītājus no agresīviem vides faktoriem. Neskatoties uz to vienkāršību, augsts mitrums un augsts radiācijas līmenis var negatīvi ietekmēt ierīces drošību.

Sensoru klasifikācija

Ražošanas metodes, ko izmanto rūpniecībā, ļauj sadalīt visus saražotos sensoru veidus divās lielās grupās: viena parauga un divu paraugu ņemšana. Pēdējā šķirne ir sadalīta diferencē un daļēji diferenciāli. Mēs tos izskatīsim sīkāk.

Viena rīka ierīce. Šajā gadījumā kapacitatīvās sensora shēmas ir vienkāršas, lai galējās, jo galvenā daļa ir visbiežāk kondensators ar mainīgu kapacitāti. Diemžēl pat nedaudz paaugstināts mitrums un temperatūra ļoti reāli ietekmē rādījumu precizitāti. Tāpēc bieži vien ir dažādi sensoru darbības traucējumi. Lai noteiktu šādu kļūdu lielumu, mums jāizmanto diferencētas konstrukcijas.

Divu sensoru sensors. Patiesībā viņš ir tik diferencēta struktūra. Ļoti bieži ir atrodams kapacitatīvā līmeņa sensors, kas izgatavots tieši saskaņā ar šo shēmu. Šajās ierīcēs nav galveno iepriekšējā modeļa trūkumu, bet tiem ir savas nepilnības. Vissvarīgākais trūkums ir nepieciešamība lietot divus vai trīs ekranētus vadus starp ierīci un virsmu, jo tikai šādā veidā var tikt izslēgtas tā saucamās parazitārās kapacitātes.

Tomēr šajā gadījumā vienkārši nav pievērst uzmanību samērā sarežģītām kapacitāšu sensoru sistēmām , jo pretēji jums tiek piešķirts ļoti precīzs un sensitīvs instruments.

Dizaina sensoru specifika

Daudzos gadījumos (no dizaina viedokļa) šādu ierīču izveide ir diezgan problemātiska. Tas jo īpaši attiecas uz gadījumiem, kad nepieciešams izveidot sensoru ar mainīgu kapacitātes līmeni. Tomēr prakse rāda, ka daudzas problēmas tiek gandrīz pilnībā atrisinātas, precīzi kalibrējot un ražošanā izmantoto materiālu augstās īpašības. Visbiežāk šīs grūtības saskaras divu sensoru sensoru ražotāji.

Kopumā šāda veida mērinstrumentu specifika ir tāda, ka tos var attēlot divu fizisko daudzumu (kapacitātes) izmēru attiecības veidā, kuriem ir precīza fiziskā izteiksme un nozīme. Tātad tos var saukt par "tuvuma sensoriem". Šo ierīču priekšrocība (to milzīgs plus!) Tas, ka to dizains parasti nav saistīts ar jebkādiem atsauces līdzekļiem, kas uzlabo to uzticamību tiešām ārkārtējās situācijās un apstākļos.

Lineārā pārvietojuma sensoru raksturojums

Visi neelektriskie daudzumi, kurus bieži nepieciešams kontrolēt rūpniecības apstākļos, ir ļoti dažādi un daudzšķautņi. Būtiska pasākumu daļa, kas tiek stingri kontrolēta, ir leņķiskās un pat lineārās dažāda veida virsmas izkliedēšana kosmosā. Ja mēs izmantojam kondensatoru, kuram ir absolūti vienots elektriskais lauks darba spraugā, tad nav tik grūti izveidot šādus divu veidu elektroniskos sensorus:

• Kurā elektrodu laukums būs mainīgs.
• Tie, kuriem ir atšķirīga plaisa starp šiem elektrodiem.

Tas ir viegli saprast, ka pirmais veids ir vispiemērotākais fiksēšanai tiešām liels kustību, vienlaikus izmantojot otru šķirni var pamanīt pat dažas ķermeņa kustību telpā, kuru vērtība ir vienāda ar tikai dažiem mikroniem!

Sensori, lai noteiktu leņķisko nobīdi

Kopumā, ar būtības un mērķa, tie gandrīz pilnīgi identisks ar iepriekšējo kontakta tipam. Līdzība izpaužas faktā, ka sensori ir elektrodi, mainīgu zonā vajadzētu izmantot lielākiem izmēriem un ar mainīgo attālumu starp pašiem elektrodiem - maziem. Parasti šādas ierīces tiek veikti vairāku šķērsgriezuma, ar iespēju mainīt platību kondensatora plāksnēm.

Lai to sasniegtu, pirmais elektrodu fiksēts pie kustamā vārpstas rotācija ko tā maina savu pozīciju attiecībā uz otro izmaiņu jomā, kas nodrošina pārklāšanos dielektriskās plates šajā kondensators. Protams, ja tas ierakstīts izmaiņas kapacitātes.

secinājumi

Tātad mēs apspriedām pamatīpašības līmeņa instrumenta, uzzināja par savām jomām pieteikumu par dizaina iezīmes, to darbības principu un iespējamiem tehniskiem risinājumiem. Kā jūs varat saprast no raksta, izplatība kapacitatīvo sensoru un to ļoti augstu popularitāte ir balstīta uz šādu ierīču ļoti pievilcīgu cenu un ilgu kalpošanas laiku, pat sarežģītos vides apstākļos.

Tas viss ir iespējams, pateicoties tam, ka, no konstruktīvā viedokļa visi šie skaitītāji ir tikai standarta kondensatori, kurus raksturo ar nedaudz neparastā veidā viņu pieteikumu. Tomēr jūs varat un uzzināt par sevi, atkal aplūkojot matemātiskas formulas, kas plaši atspoguļo principi kip darbu.