Kapacitní snímač: zařízení a princip činnosti. Kapacitní snímače: aplikace

Moderní průmysl a každodenní lidská činnost člověka nelze představit bez jakéhokoli elektronického zařízení. Pomáhají nám ve všem a některé technologické operace bez nich nebudou vůbec možné. K těmto "asistentům" by mělo být přičítáno a kapacitní čidlo.

To je to, co jsou nazývány snímače, vyráběné podle parametrického typu. Měření určitého objemu těmito zařízeními se provádí kvůli kolísání kapacitního odporu při změně některých důležitých parametrů. Jednoduše řečeno, změna se odhaduje Kapacitní kapacita pod vlivem některých vnějších faktorů.

Princip fungování kapacitního čidla

To jsou kapacitní snímače. Princip jejich práce není tak složitý, ale pochopit je, musíte něco vědět. Za prvé, připomeňme si princip určování kapacity kondenzátoru. Tato akce je vyjádřena pomocí následujícího vzorce:

C = epsilon-epsilon-ₒS / delta-.

Tento výraz je mnohým znám ze školní fyziky, ale nebudou bolet obnovení paměti a nezapomeňte, co každá z těchto proměnných znamená:

• S je oblast kondenzátoru.
• Epsilon - relativní propustnost dielektrického materiálu použitého při konstrukci kondenzátoru.
• epsilon-ₒ - tak ve fyzice je obvyklé označovat dielektrickou konstantu vakua.
• delta - to může být buď tloušťka dielektrické desky nebo vzdálenost mezi několika vrstvami materiálu.

Z výše uvedeného vzorce vyplývá, že je snadné měnit kapacitu kondenzátoru. Stačí, když se nějak jednáte na ploše desky dielektrického materiálu, na vzdálenost mezi deskami nebo přímo na propustnosti materiálu použitého při výrobě. Volba konkrétní hodnoty závisí tedy pouze na seznamu úkolů, které návrháři předloží zařízení.

Můžete tedy dokonce vytvořit kapacitní snímač sám, protože z konstruktivního hlediska je to obyčejný plochý nebo válcový kondenzátor, jehož jedna deska trvale zažívá řízený pohyb v prostoru, což vede ke změně kapacity. Měli bychom si uvědomit, že výše uvedený vzorec je správný pouze tehdy, pokud zcela zanedbáváte okrajové efekty. O tom budeme hovořit v závěrečné části tohoto článku.

Je třeba poznamenat, že takové elektronické přístroje jsou intenzivně používány pro měření úhlového a lineárního pohybu objektů, výpočtu rozměrů, aplikované práce, vlhkosti, koncentrace účinné látky a dalších vlastností. S ohledem na konstruktivní stránku problému jsou tyto instrumentační nástroje vyráběny rovinně-paralelně, ve válcových tělesech, s kolíkovými elektrodami, s distanční vložkou z dielektrického materiálu a bez něj vůbec.

Zde funguje kapacitní čidlo. Princip fungování některých z nich musí být zvláště podrobně znám. V rámci tohoto článku vám poskytneme některé vzorce, které vám mohou být užitečné.

Vzory pro popis principu provozu některých typů čidel

Snímač hladiny s možnou změnou v oblasti dielektrických desek lze poměrně snadno popsat pomocí následující rovnice:

C = epsilon-epsilon-kaX / delta-.

"X" v tomto případě představuje délku překrytí použitých elektrod. Podle toho "a" označuje šířku desek samotného kondenzátoru. Je třeba poznamenat, že tyto nástroje nalezly svou aplikaci v různých průmyslových odvětvích, kde se používají k nejpřesnějšímu měření úhlových veličin. Kapacita konvertoru se pak zjistí pomocí následujícího výrazu:

C = epsilon-epsilon-ₒ (r2-r1) / 2delta- * (phi-ₒ-phi-).

Aby bylo možné přesně měřit citlivost, měl by se použít poměrně odlišný vzorec:

K = epsilon-epsilon-y (r2-r1) / 2delta-.

Podívejme se, co se rozumí těmito proměnnými, které jsou součástí těchto rovnic:

• r1 je vnitřní poloměr kondenzátoru;
• r2 je vnější poloměr téže desky;
• phi - měřeno v okamžiku (aktuální) hodnoty úhlu překrytí;
• phi-ₒ je počáteční hodnota úhlu překrytí.

Nakonec budeme analyzovat matematický výraz, který popisuje princip fungování kapacitního měřiče s variabilní vzduchovou mezerou:

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

Není těžké to odhadnout pod delta-ₒ je primární mezera, zatímco stejné písmeno X označuje velikost posunutí desky. Dávejte pozor! Vzhledem k tomu, že statické charakteristiky nejsou striktně lineární, obvykle se používá snímač hladiny tohoto typu pro měření extrémně malých posunů, jejichž velikost nepřekračuje hodnotu 0.1delta-ₒ. Tato zařízení jsou přirozeně velice žádaná v přesném strojírenství, kde dokonce menší chyba může vést k vážným problémům.

Kde mohou být použity?

Oblasti jejich možného uplatnění jsou velmi rozmanité. Takže prakticky ve všech oborech průmyslu je možné setkat se s operacemi, které jsou řízeny těmito zařízeními. Používají se k řízení plnění různých nádrží a jejich obsah může být kapalný, granulovaný nebo plynný (plynový senzor).

Jejich výskyt v průmyslu a běžné lidské produkci je o to větší, tím spolehlivější a jednodušší je návrh takových zařízení. Pro všechny tyto znaky jsou tak dobré, že mohou být použity i v neuvěřitelně agresivních podmínkách ropných tankerů.

Kromě toho může být kapacitní snímač použit jako koncový spínač na dopravním vedení nebo obráběcím stroji výrobní haly. To je také nezbytné pro nejpřesnější umístění různých mechanismů.

Snímače přiblížení

V současné době však existuje zvláštní poptávka bezdotykové snímače, které jsou prováděny přesně stejným principem. Rozsah jejich použití je ještě širší. To je způsobeno penny hodnotou zařízení a schopností pracovat prakticky ve všech typech průmyslu. Existují však typické průmyslové odvětví, kde jsou zařízení tohoto typu nejvíce žádaná:

• Kontrola plnění kapalných transparentních nádob z plastu nebo skla.
• Podobnou funkci vykonává i při výrobě potravin (včetně dětských), kde jsou hotové výrobky baleny v kontejnerech z průhledných materiálů. Na stejném principu je založena práce takového přístrojového vybavení jako kapacitního snímače paliva.
• Ovládat nebezpečné oblasti, kde je poškozený vinutí.
• Ovládání podobných míst, kde může být dopravní pás poškozen.
• Kontrola kusového typu výrobku (přepočet plechovek, lahví, obalů).

Není překvapením, že tato elektronická zařízení jsou nejčastějšími technikami v oblasti přesného strojírenství, energie a řady dalších průmyslových odvětví.

Inclinometry

Přístroje, které se v posledních letech staly poměrně častými, jsou malé kapacitní skloněry, které poskytují přenos elektrického výstupního signálu, jehož velikost je přímo úměrná úhlu sklonu použitého snímače.

Nejběžnějšími oblastmi použití těchto zařízení jsou plošinové vyrovnávací systémy, které určují množství průhybu a technickou deformaci různých podpěrných nosníků, jakož i nejpřesnější kontrolu svahu silnic a železnic ve stadiu jejich výstavby.

Navíc pomocí těchto zařízení je určena role těžkých vozidel a dalších vozidel, kladkostroje a průmyslová bagra a určuje se stupeň úhlového posunu ve vztahu k zemědělským a průmyslovým zařízením o mimořádně velké velikosti.

Velmi důležité jsou kapacitní snímače hladiny paliva v ropném průmyslu. Používají se i na supertankery, které pro jeden let přepravují desítky a stovky tisíc tun zpracovaných ropných produktů. Tato zařízení jsou extrémně účinná i v podmínkách vzniku extrémně hojného kondenzátu a vysoké prašnosti ve výrobní místnosti (stejný plynový senzor).

Jejich použití se nachází v měření absolutních a relativních tlakových úrovní, stejně jako tloušťky dielektrického materiálu, což je nesmírně důležité v téměř všech průmyslových odvětvích, kde se používají opravdu silné kondenzátory.

Hlavní výhody kapacitních snímačů

Je třeba poznamenat, že kapacitní snímač má spoustu výhod, pokud jej porovnáte s podobnými zařízeními, která jsou prováděna podle mírně odlišných principů. Uveďme si hlavní výhody těchto nástrojů:

• Při výrobě jsou velmi jednoduché. Kromě toho lze v jejich výrobě použít nejjednodušší a nejlevnější materiály. Dokonce i kapacitní snímače hladiny paliva používané ve významných zařízeních v ropném průmyslu mají extrémně skromné ​​rozměry a mají nejnižší možnou úroveň spotřeby elektrické energie. Se všemi těmito vlastnostmi se vyznačují vynikající úrovní citlivosti, která je často nedosažitelná pro dražší zařízení.
• V zásadě můžete sami vytvořit kapacitní snímač, který využívá jako základ nějaký více nebo méně spolehlivý a vysoce kvalitní průmyslový kondenzátor.
• Nemají kontakty (velmi zřídka se používá jediný sběrač proudu), což je mimořádně přínosné pro práci v podmínkách vysokého obsahu prachu a vlhkosti v místnosti.
• Životnost je extrémně dlouhá, přístroj opakovaně dokáže "odpudit" své nízké náklady. Kapacitní snímač (jehož cena je v rozmezí 1200-1700 rublů) je tedy mimořádně výnosná akvizice.
• Chcete-li pohybovat pohyblivou částí zařízení, je to překvapivě málo úsilí.
• Zařízení je velmi snadné kombinovat s téměř všemi kategoriemi zařízení, které se používají pouze v průmyslových činnostech.

Negativní momenty

Bohužel každý snímač kapacity má určité nevýhody, které do jisté míry brání rozšířenému použití tohoto typu zařízení. Seznamte je podrobněji:

• Přepočítací faktor (tj. Přenos) je poměrně nízký.
• Malá velikost a jednoduchost designu přispívají k tomu, že jsou spíše vysoké požadavky na kvalitu třídících zařízení.
• Dobrý snímač kapacitní hladiny (a další podobné měřicí přístroje) může účinně pracovat pouze při frekvenci mnohem vyšší než je standardní hodnota 50 Hz.

Důležité poznámky

Všechno však není tak špatné. Mnoho výrobců dosahuje vynikajících vlastností skenování senzorů tím, že provádí minimální změny jejich designu. Pokud jde o frekvenci používání, v praxi vykazují vynikající výsledky za průmyslovou hodnotu 400 Hz.

Již jsme hovořili o platnosti základního vzorce pouze tehdy, když je okrajový efekt ignorován. Je však užitečné vědět, že může mít skutečně negativní účinek, pouze pokud je vzdálenost mezi deskami dielektrika srovnatelná s jejich vlastními rozměry. Kromě toho může být negativní účinek značně vyrovnán pouhým použitím ochranného kroužku. V tomto případě může být efektový rozsah efektu převeden daleko za použité desky.

Znovu jsme si všimli, že stejné snímače tlaku se vyznačují pozoruhodnou jednoduchostí, která vám umožní vytvořit na zázracích stabilní, trvanlivé a levné návrhy. Pokud správně zvolíte geometrické rozměry použitého dielektrika, nemusíte se obávat materiálů použitých při výrobě takového kondenzátoru.

Tak, správně vyzvednutí kovové razítko pro výrobu pouzdra snímače, je prakticky zanedbatelné ani silné kolísání teploty, které by mohly mít za následek změnu kapacity zařízení a jeho nedostatečné čtení. Samozřejmě, že to není nebylo nutné provádět důkladné izolované tlakové senzory a další podobné indikátory agresivních faktorů prostředí. I přes jejich jednoduchost, vysoká vlhkost a zvýšené hladiny záření může negativně ovlivnit spolehlivost zařízení.

Klasifikace senzorů

Metody jejich výroby používané v průmyslu umožňují rozdělit všechny vyráběné typy snímačů na dvě velké skupiny: vzorků s jedním vzorkem a dvou vzorků. Posledně jmenovaná odrůda je rozdělena na diferenciální a semi-diferenciální. Budeme je zkoumat podrobněji.

Zařízení s jedním nástrojem. V tomto případě jsou kapacitní obvody snímačů velmi jednoduché, protože nejběžnější částí je nejběžnější kondenzátor s proměnnou kapacitou. Bohužel dokonce mírně zvýšená vlhkost a teplota mají velmi hmatatelný vliv na přesnost měření. Kvůli tomu dochází často k různým poruchám snímače. Abychom vyrovnali velikost takových chyb, musíme použít diferencované konstrukce.

Snímač dvou senzorů. Ve skutečnosti je tak odlišná struktura. Velmi často najdete kapacitní snímač hladiny, vyrobený přesně podle tohoto schématu. Tato zařízení jsou ušetřena z hlavních nedostatků předchozího modelu, ale mají své vlastní slabiny. Jejich nejvýznamnějším nedostatkem je potřeba použít dva nebo tři stíněné vodiče mezi samotným zařízením a povrchem, protože jen tak lze potlačit tzv. Parazitické kapacity.

Pro poměrně složité schémata kapacitních snímačů je však v tomto případě snadné nevěnujte pozornost, protože na oplátku získáte velmi přesný a citlivý nástroj.

Specifičnost návrhu senzorů

V mnoha případech (z hlediska návrhu) je vytvoření takových zařízení poměrně problematické. To platí zejména tehdy, když je zapotřebí vytvořit snímač s proměnnou úrovní kapacity. Praxe však ukazuje, že mnoho problémů je téměř zcela vyřešeno přesností kalibrace a vysokými vlastnostmi materiálů používaných ve výrobě. Nejčastěji se tyto potíže potýkají s výrobci senzorů se dvěma senzory.

Obecně platí specifika tohoto typu měřicí přístroje To spočívá v tom, že mohou být reprezentovány jako bezrozměrné poměr dvou fyzikálních veličin (kontejnery), které mají přesné fyzikální výraz a smysl. Takže mohou být nazývány "proximity sensors". Výhodou těchto přístrojů (je obrovské plus!) Je to, že obecně nemohou mít ve svém návrhu některé standardní opatření, která ochlazují zvyšuje spolehlivost v opravdu extrémních situacích a podmínkách.

Charakteristika čidel lineárního posunu

Všechny neelektrické veličiny, které jsou často vyžadovány v průmyslových podmínkách, jsou extrémně rozmanité a mnohostranné. Významnou částí opatření, která jsou předmětem přísné kontroly, jsou úhlové a rovnoměrné posuny různých druhů ploch v prostoru. Používáme-li kondenzátor, který má v pracovním meze naprosto stejnoměrné elektrické pole, není tak obtížné vyrobit elektronické snímače těchto dvou typů:

• Ve které oblasti elektrod bude proměnná.
• Ty, které mají mezi těmito elektrodami variabilní mezeru.

Je snadné pochopit, že první typ je nejvhodnější pro upevnění opravdu velký pohyb, při použití druhé řady je možné si všiml i nějaký pohyb těla v prostoru, jehož hodnota je rovna pouze několik mikronů!

Snímače úhlového posunutí

Obecně jsou podle návrhu a účelu téměř úplně shodné s právě zvažovaným typem. Podobnost se projevuje tím, že senzory s proměnnou plochou elektrod by měly být také použity pro velké měření a s proměnnou vzdáleností mezi samotnými elektrodami pro malé. Zpravidla se taková zařízení dělají vícečetné, s možností změny oblasti kondenzátorových desek.

K dosažení této skutečnosti je první elektroda připojena k pohyblivému hřídeli, jehož otáčení mění svou polohu vzhledem k druhé, což zajišťuje změnu překrývající se oblasti dielektrických desek v kondenzátoru. Přirozeně je současně změněna kapacitní změna.

Závěry

Tak jsme zkoumali základní charakteristiky zařízení této úrovně, dozvěděli se o oblastech jejich aplikace, charakteristikách návrhu, principu činnosti a možných technických řešeních. Jak jste mohli pochopit z článku, převládání kapacitních senzorů a jejich extrémně vysoká popularita jsou založeny na velmi atraktivní ceně těchto zařízení a dlouhé životnosti iv náročných podmínkách prostředí.

To vše je možné vzhledem k tomu, že z konstrukčního hlediska jsou všechny tyto měřiče jen standardními kondenzátory, které se vyznačují poněkud neobvyklým způsobem jejich použití. Můžete to však zjistit tím, že se znovu podíváte na matematické vzorce, které obecně vyjadřují principy fungování přístrojové techniky.