Czujniki pojemnościowe

Czujnik pojemnościowy nazywany jest przetwornikiem parametrycznym, w którym zmiana wartości mierzonej jest przetwarzana na zmianę pojemności.

Zastosowania czujników pojemnościowych

Możliwości zastosowań czujników pojemnościowych są niezwykle różnorodne. Znajdują zastosowanie w systemach regulacji i sterowania procesami przemysłowymi w niemal wszystkich gałęziach przemysłu. Czujniki pojemnościowe stosowane są do sterowania napełnianiem zbiorników substancjami płynnymi, proszkowymi lub sypkimi, np. wyłączniki krańcowe na zautomatyzowanych liniach, przenośnikach, robotach, centrach obróbczych, maszynach do cięcia metalu, w układach sygnalizacyjnych, do pozycjonowania różnych mechanizmów itp.

Obecnie najbardziej rozpowszechnione są czujniki zbliżeniowe (obecności), które poza niezawodnością posiadają również szereg zalet. Przy stosunkowo niskich kosztach czujniki zbliżeniowe obejmują szeroki zakres kierunkowości w swoim zastosowaniu we wszystkich gałęziach przemysłu. Typowe obszary zastosowania czujników pojemnościowych tego typu to:

• sygnalizacja napełniania pojemników plastikowych lub szklanych;

• kontrola poziomu napełnienia opakowań przezroczystych;

• alarm zerwania cewki;

• regulacja napięcia paska;

• częściowe konto dowolnego rodzaju itp.

Pojemnościowe enkodery liniowe i kątowe to najczęściej spotykane urządzenia, szeroko stosowane w inżynierii i transporcie, budownictwie i energetyce, w różnych kompleksach pomiarowych.

Stosunkowo nowymi urządzeniami, które weszły do ​​powszechnego użytku przemysłowego w ostatnich latach, stały się niewielkie inklinometry pojemnościowe z elektrycznym sygnałem wyjściowym proporcjonalnym do kąta nachylenia czujnika…. Za główne można uznać następujące obszary zastosowań inklinometrów: zastosowanie w systemach niwelacji peronów, wyznaczanie odchyłek i deformacji różnego rodzaju podpór i belek, kontrola kątów nachylenia dróg i linii kolejowych podczas ich budowy, remontów i eksploatacji, wyznaczanie przechyłów samochodów, statków i robotów podwodnych, podnośników i dźwigów, koparek, maszyn rolniczych, wyznaczanie przemieszczeń kątowych różnego rodzaju obiektów wirujących – wałów, kół, mechanizmów przekładni zarówno na obiektach stacjonarnych, jak i poruszających się.

Pojemnościowe czujniki poziomu znajdują zastosowanie w układach sterowania, regulacji i zarządzania procesami produkcyjnymi w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym, rafineryjnym. Sprawdzą się podczas pracy z cieczami, materiałami sypkimi, zawiesinami, substancjami lepkimi (przewodzącymi i nieprzewodzącymi), a także w warunkach kondensacji, zapylenia.

Czujniki pojemnościowe są również wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu do pomiaru ciśnienia bezwzględnego i manometrycznego, grubości materiałów dielektrycznych, wilgotności powietrza, odkształceń, przyspieszeń kątowych i liniowych itp.

Przewaga czujników pojemnościowych nad innymi typami czujników

Czujniki pojemnościowe oferują szereg zalet w porównaniu z innymi typami czujników. Ich zalety to:

• łatwość produkcji, wykorzystanie tanich materiałów do produkcji; — mały rozmiar i waga; — niskie zużycie energii; - wysoka czułość;

• brak styków (w niektórych przypadkach — jeden odbierak prądu);

• długa żywotność;

• potrzeba użycia bardzo małych sił do poruszenia ruchomej części czujnika pojemnościowego;

• łatwość dostosowania kształtu czujnika do różnych zadań i konstrukcji;

Wady czujników pojemnościowych

Wady czujników pojemnościowych obejmują:

• stosunkowo mały współczynnik transferu (konwersji);

• wysokie wymagania dotyczące części ekranujących;

• konieczność pracy na wyższej (w porównaniu do 50 Hz) częstotliwości;

W większości przypadków jednak dzięki konstrukcji czujnika można uzyskać wystarczające ekranowanie, a praktyka pokazuje, że czujniki pojemnościowe dają dobre wyniki przy powszechnie stosowanej częstotliwości 400 Hz. Nieodłączny kondensatory efekt krawędzi staje się znaczący tylko wtedy, gdy odległość między płytami jest porównywalna z wymiarami liniowymi rozważanych powierzchni. Efekt ten można w pewnym stopniu wyeliminować za pomocą pierścienia ochronnego, który umożliwia przesunięcie jego wpływu poza granice powierzchni płytek faktycznie używanych do pomiarów.

Czujniki pojemnościowe wyróżniają się prostotą, co pozwala na solidną i niezawodną konstrukcję. Parametry kondensatora zależą tylko od charakterystyki geometrycznej i nie zależą od właściwości użytych materiałów, jeśli materiały te są odpowiednio dobrane. W związku z tym wpływ temperatury na zmiany powierzchni i rozstaw płyt może być pomijalnie mały, wybierając odpowiedni gatunek metalu na płyty oraz izolację do ich zamocowania. Pozostaje tylko chronić czujnik przed czynnikami środowiskowymi, które mogą pogorszyć izolację między płytkami — przed kurzem, korozją, wilgocią, promieniowaniem jonizującym.

Cenne właściwości czujników pojemnościowych — niewielka siła mechaniczna wymagana do poruszenia jego ruchomej części, możliwość regulacji wyjścia układu śledzącego oraz duża dokładność działania — sprawiają, że czujniki pojemnościowe są niezastąpione w urządzeniach, w których błędy rzędu setnych, a nawet dozwolone są tysięczne procent.

Rodzaje przetworników pojemnościowych i ich cechy konstrukcyjne

Typowym czujnikiem pojemnościowym jest płaski lub cylindryczny kondensator, którego jedna z okładek podlega kontrolowanemu ruchowi powodującemu zmianę pojemności. Pomijając efekty końcowe, pojemność płaskiego kondensatora można wyrazić następująco:

gdzie ε Względna stała dielektryczna ośrodka zamkniętego między płytami, C i e — powierzchnia rozważanych płyt i odpowiednio odległość między nimi.

Przetworniki pojemnościowe mogą służyć do pomiaru różnych wielkości w trzech kierunkach, w zależności od funkcjonalnego związku mierzonej wielkości nieelektrycznej z następującymi parametrami:

• zmienna stała dielektryczna ośrodka ε;

• obszar nakładania się płytek C;

• różna odległość między płytami, e.

W pierwszym przypadku przetworniki pojemnościowe mogą być wykorzystane do analizy składu substancji, ponieważ stała dielektryczna jest funkcją właściwości substancji. W tym przypadku naturalną wartością wejściową konwertera będzie skład substancji wypełniającej przestrzeń między płytkami. Przetworniki pojemnościowe tego typu znajdują szczególnie szerokie zastosowanie przy pomiarach wilgotności ciał stałych i cieczy, poziomu cieczy, a także przy wyznaczaniu wymiarów geometrycznych małych obiektów. W większości przypadków praktycznego zastosowania przetworników pojemnościowych, ich naturalną wartością wejściową jest geometryczne przemieszczenie elektrod względem siebie.W oparciu o tę zasadę czujniki przemieszczeń liniowych i kątowych, urządzenia do pomiaru sił, drgań, prędkości i przyspieszenia, czujniki czujniki zbliżeniowe, nacisku i odkształcenia (ekstensometry).

Klasyfikacja czujnika pojemnościowego

Pod względem wykonania wszystkie pojemnościowe przetworniki pomiarowe można podzielić na czujniki jednopojemnościowe i dwupojemnościowe. Te ostatnie są różnicowe i półróżnicowe.

Pojedynczy czujnik pojemności jest prosty w konstrukcji i jest pojedynczym kondensatorem zmiennym. Do jego wad należy znaczny wpływ czynników zewnętrznych, takich jak wilgotność i temperatura.Aby skompensować te błędy, należy zastosować konstrukcje różnicowe... Wadą takich czujników w porównaniu z czujnikami jednopojemnościowymi jest konieczność stosowania co najmniej trzech (zamiast dwóch) ekranowanych przewodów łączących czujnik z przyrządem pomiarowym w celu tłumienia tzw. zwane pojemnościami pasożytniczymi. Ta wada jest jednak rekompensowana znacznym wzrostem dokładności, stabilności i rozszerzeniem zakresu zastosowania takich urządzeń.

W niektórych przypadkach różnicowy czujnik pojemnościowy jest trudny do stworzenia ze względów konstrukcyjnych (jest to szczególnie prawdziwe w przypadku czujników różnicowych o zmiennej szczelinie). Jeśli jednak jednocześnie przykładowy kondensator zostanie umieszczony w tej samej obudowie co kondensator roboczy i będą one jak najbardziej identyczne pod względem konstrukcji, wymiarów i użytych materiałów, to znacznie mniejsza będzie wrażliwość całego urządzenia na zewnętrzne wpływy destabilizujące. zapewnione. W takich przypadkach możemy mówić o czujniku pojemnościowym półróżnicowym, który podobnie jak różnicowy odnosi się do czujnika dwupojemnościowego.

Specyfika parametru wyjściowego czujników dwuobjętościowych, który jest reprezentowany jako bezwymiarowy stosunek dwuwymiarowych wielkości fizycznych (w naszym przypadku pojemności), daje powód do nazywania ich czujnikami stosunku. W przypadku stosowania czujników o podwójnej pojemności urządzenie pomiarowe może w ogóle nie zawierać żadnych standardowych miar pojemności, co przyczynia się do zwiększenia dokładności pomiaru.

Enkodery przemieszczenia liniowego

Wielkości nieelektryczne, które należy mierzyć i kontrolować, są liczne i zróżnicowane. Znaczną ich część stanowią przemieszczenia liniowe i kątowe. Oparty na kondensatorze, który pole elektryczne dwa główne typy pojemnościowych czujników przemieszczenia mogą być tworzone równomiernie w szczelinie roboczej:

• ze zmienną powierzchnią elektrody;

• ze zmienną szczeliną między elektrodami.

Jest całkiem oczywiste, że te pierwsze są wygodniejsze do pomiaru dużych przemieszczeń (jednostki, dziesiątki i setki milimetrów), a te drugie do pomiaru małych i bardzo małych przemieszczeń (części milimetra, mikrometry i mniejsze).

Enkodery kątowe

Pojemnościowe przetworniki kątowe są w zasadzie podobne do pojemnościowych przetworników liniowych, a czujniki o zmiennej powierzchni są również bardziej odpowiednie w przypadku niezbyt małych zakresów pomiarowych (zaczynając od jednostek stopni), a czujniki pojemnościowe o zmiennym kącie przerwy może być z powodzeniem stosowany do pomiaru małych i bardzo małych przemieszczeń kątowych. Zazwyczaj do przemieszczeń kątowych stosuje się przetworniki wielosekcyjne ze zmienną powierzchnią okładek kondensatora.

W takich czujnikach jedna z elektrod kondensatora jest przymocowana do wałka przedmiotu, a podczas obrotu jest przemieszczana względem nieruchomej, zmieniając obszar nakładania się płytek kondensatora. To z kolei powoduje zmianę pojemności rejestrowaną przez obwód pomiarowy.

Inklinometry

Inklinometr (czujnik przechyłu) to różnicowy pojemnościowy przetwornik przechyłu, który zawiera element czujnikowy w kształcie kapsułki.

Inklinometr pojemnościowy

Kapsułka składa się z podłoża z dwiema płaskimi elektrodami 1 pokrytymi warstwą izolującą oraz hermetycznie przymocowanego do podłoża korpusu 2. Wewnętrzna wnęka korpusu jest częściowo wypełniona cieczą przewodzącą 3, która jest wspólną elektrodą wrażliwy element.Wspólna elektroda tworzy kondensator różnicowy z płaskimi elektrodami. Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do wartości pojemności kondensatora różnicowego, która jest liniowo zależna od położenia obudowy w płaszczyźnie pionowej.

Inklinometr ma za zadanie mieć liniową zależność sygnału wyjściowego od kąta nachylenia w jednej tzw. płaszczyźnie roboczej i praktycznie nie zmienia odczytów w drugiej (niepracującej) płaszczyźnie, natomiast jego sygnał jest słabo zależny od temperatury zmiany. Aby określić położenie płaszczyzny w przestrzeni, stosuje się dwa inklinometry, ustawione względem siebie pod kątem 90 °.

Niewielkie gabaryty inklinometrów z elektrycznym sygnałem wyjściowym proporcjonalnym do kąta nachylenia czujnika są stosunkowo nowymi urządzeniami. Ich duża dokładność, miniaturowe rozmiary, brak ruchomych zespołów mechanicznych, łatwość instalacji na budowie oraz niski koszt sprawiają, że celowe jest stosowanie ich nie tylko jako czujników przechyłu, ale także zastąpienie nimi czujników kątowych, nie tylko stacjonarnych, ale również ruchomych. obiekty.

Pojemnościowe czujniki poziomu cieczy

Pojemnościowy przetwornik do pomiaru poziomu nieprzewodzącej cieczy składa się z dwóch połączonych równolegle kondensatorów

Czujniki ciśnienia

Jedną z podstawowych konstrukcji pojemnościowego przetwornika ciśnienia jest pojedynczy stojan, który służy do pomiaru ciśnienia bezwzględnego (elektryczne czujniki ciśnienia).

Taki czujnik składa się z metalowej celi podzielonej na dwie części mocno naciągniętą płaską metalową membraną, po jednej stronie której znajduje się nieruchoma elektroda odizolowana od korpusu.Elektroda membranowa tworzy zmienną pojemność, która jest zawarta w obwodzie pomiarowym. Gdy ciśnienie jest równe po obu stronach membrany, przetwornik jest zrównoważony. Zmiana ciśnienia w jednej z komór odkształca membranę i zmienia pojemność, która jest ustalana przez obwód pomiarowy.

W konstrukcji dwustanowiskowej (różnicowej) membrana porusza się pomiędzy dwiema stałymi płytami, a do jednej z dwóch komór podawane jest ciśnienie odniesienia, co zapewnia bezpośredni pomiar różnicy ciśnień (nadmiaru lub różnicy) z najmniejszym błędem.