Kapacitív érzékelők

A kapacitív érzékelőt paraméteres típusú jelátalakítónak nevezzük, ahol a mért érték változását a kapacitás változásává alakítják.

Kapacitív érzékelő alkalmazások

A kapacitív érzékelők lehetséges alkalmazásai rendkívül változatosak. Szinte minden iparágban alkalmazzák ipari folyamatszabályozási és vezérlőrendszerekben. A kapacitív szenzorok a tartályok folyadékkal, porral vagy szemcsés anyagokkal való feltöltésének vezérlésére szolgálnak, például végálláskapcsolók automata vonalakon, szállítószalagok, robotok, megmunkáló központok, fémvágó gépek, jelzőrendszerekben, különféle mechanizmusok pozicionálására stb.

Jelenleg a legelterjedtebbek a közelség (jelenlét) érzékelők, amelyek megbízhatóságuk mellett számos előnnyel is rendelkeznek. Viszonylag alacsony költséggel a közelségérzékelők az irányosság széles skáláját fedik le minden iparágban. Az ilyen típusú kapacitív érzékelők tipikus felhasználási területei a következők:

• jelzések műanyag vagy üvegtartályok töltéséhez;

• átlátszó csomagok töltési szintjének ellenőrzése;

• tekercstörés riasztó;

• szíjfeszesség beállítása;

• bármilyen részleges elszámolás stb.

A kapacitív lineáris és szögjeladók a legelterjedtebb eszközök, széles körben használják a mérnöki és közlekedési, építőipari és energetikai, különböző mérőkomplexumokban.

Az utóbbi években elterjedt ipari felhasználásba került, viszonylag új készülékek kisméretű, kapacitív dőlésmérők lettek, amelyek elektromos kimenőjelei arányosak az érzékelő dőlésszögével…. A dőlésmérők következő alkalmazási területei tekinthetők főbbnek: alkalmazás peronszintező rendszerekben, különböző típusú támasztékok és gerendák eltéréseinek és deformációinak meghatározása, utak és vasutak dőlésszögeinek szabályozása építésük, javításuk és üzemeltetésük során, autók, hajók és víz alatti robotok, emelők és daruk, kotrógépek, mezőgazdasági gépek gördülésének meghatározása, különböző típusú forgó tárgyak - tengelyek, kerekek, sebességváltó mechanizmusok - szögeltolásának meghatározása álló és mozgó tárgyakon egyaránt.

A kapacitív szintérzékelőket vezérlőrendszerekben, termelési folyamatok szabályozásában és kezelésében használják az élelmiszeriparban, a gyógyszeriparban, a vegyiparban és az olajfinomító iparban. Hatékonyak folyadékokkal, ömlesztett anyagokkal, szuszpenziókkal, viszkózus anyagokkal (vezetőképes és nem vezetőképes), valamint páralecsapódás, porosodás esetén.

A kapacitív érzékelőket különböző iparágakban is használják abszolút és túlnyomás, a dielektromos anyagok vastagságának, a levegő páratartalmának, alakváltozásának, szög- és lineáris gyorsulásainak stb. mérésére.

A kapacitív érzékelők előnyei más típusú érzékelőkkel szemben

A kapacitív érzékelők számos előnnyel rendelkeznek a többi érzékelőtípushoz képest. Előnyeik a következők:

• a gyártás egyszerűsége, olcsó anyagok felhasználása a gyártáshoz; — kis méret és súly; - alacsony energiafogyasztás; - nagy érzékenység;

• érintkezők hiánya (egyes esetekben - egy áramkollektor);

• hosszú élettartam;

• nagyon kis erők szükségessége a kapacitív érzékelő mozgó részének mozgatásához;

• az érzékelő alakjának könnyű adaptálása a különböző feladatokhoz és kialakításokhoz;

A kapacitív érzékelők hátrányai

A kapacitív érzékelők hátrányai a következők:

• viszonylag kicsi átviteli (konverziós) együttható;

• magas követelmények az árnyékoló alkatrészekkel szemben;

• magasabb (50 Hz-hez képest) frekvencián való munkavégzés szükségessége;

Az esetek többségében azonban az érzékelő kialakításának köszönhetően megfelelő árnyékolás érhető el, és a gyakorlat azt mutatja, hogy a kapacitív érzékelők jó eredményeket adnak a széles körben használt 400 Hz-es frekvencián. Inherens kondenzátorok az élhatás csak akkor válik jelentőssé, ha a lemezek közötti távolság összevethető a vizsgált felületek lineáris méreteivel. Ez a hatás bizonyos mértékig kiküszöbölhető egy védőgyűrűvel, amely lehetővé teszi, hogy a hatását a ténylegesen mérésekhez használt lemezek felületének határain túlra toljuk.

A kapacitív érzékelők egyszerűségük miatt figyelemre méltóak, ami robusztus és megbízható kialakítást tesz lehetővé. A kondenzátor paraméterei csak a geometriai jellemzőktől függenek, és nem függenek a felhasznált anyagok tulajdonságaitól, ha ezeket az anyagokat megfelelően választják ki. Ezért a hőmérsékletnek a felületváltozásokra és a lemeztávolságra gyakorolt ​​hatása elhanyagolhatóan csekély lehet, ha a lemezekhez megfelelő minőségű fémet és a rögzítésükhöz szigetelést választunk. Csak az érzékelő védelme marad azoktól a környezeti tényezőktől, amelyek ronthatják a lemezek közötti szigetelést - portól, korróziótól, nedvességtől, ionizáló sugárzástól.

A kapacitív érzékelők értékes tulajdonságai – a mozgatható részének mozgatásához szükséges kis mechanikai erő, a nyomkövető rendszer kimenetének beállítására való képesség, valamint a nagy működési pontosság – a kapacitív érzékelőket nélkülözhetetlenné teszik azokban az eszközökben, ahol a hibák csak századok, sőt ezred százalék megengedett.

A kapacitív átalakítók típusai és tervezési jellemzőik

A kapacitív érzékelő általában lapos vagy hengeres kondenzátor, amelynek egyik lemeze szabályozott mozgáson megy keresztül, ami kapacitásváltozást okoz. A véghatásokat figyelmen kívül hagyva a lapos kondenzátor kapacitása a következőképpen fejezhető ki:

ahol ε A lemezek közé zárt közeg relatív dielektromos állandója, C és e - a vizsgált lemezek területe és ennek megfelelően a köztük lévő távolság.

A kapacitív jelátalakítókkal különböző mennyiségek három irányban mérhetők, attól függően, hogy a mért nem elektromos mennyiség funkcionális kapcsolata van a következő paraméterekkel:

• a közeg változó dielektromos állandója ε;

• a C lemezek átfedő területe;

• eltérő távolság a lemezek között e.

Az első esetben kapacitív átalakítókkal lehet elemezni az anyag összetételét, mivel a dielektromos állandó az anyag tulajdonságainak függvénye. Ebben az esetben a konverter természetes bemeneti értéke a lemezek közötti teret kitöltő anyag összetétele lesz. Az ilyen típusú kapacitív jelátalakítókat különösen széles körben alkalmazzák szilárd és folyadékok nedvességtartalmának, folyadékszintjének mérésére, valamint kisméretű tárgyak geometriai méreteinek meghatározására. A kapacitív jelátalakítók gyakorlati felhasználásánál a legtöbb esetben természetes bemeneti értékük az elektródák egymáshoz viszonyított geometriai elmozdulása.. Ezen elv alapján lineáris és szögeltolódás érzékelők, erők, rezgések, sebesség és gyorsulás mérésére szolgáló eszközök, érzékelők közelség-, nyomás- és nyúlásérzékelők (extenzométerek).

A kapacitív érzékelő osztályozása

Kivitelezés szempontjából az összes kapacitív mérőátalakító egykapacitív és kettős kapacitív érzékelőkre osztható. Ez utóbbiak differenciális és féldifferenciálisak.

Az egykapacitás-érzékelő egyszerű kialakítású, és egyetlen változtatható kondenzátor. Hátrányai közé tartozik az olyan külső tényezők jelentős hatása, mint a páratartalom és a hőmérséklet.Ezeknek a hibáknak a kompenzálására differenciális kialakításokat kell alkalmazni... Az ilyen érzékelők hátránya az egykapacitásúakhoz képest, hogy legalább három (két helyett) árnyékolt összekötő vezetékre van szükség az érzékelő és a mérőeszköz között, amelyek elnyomják az ún. parazita kapacitásoknak nevezzük. Ez a hátrány azonban kifizetődik az ilyen eszközök pontosságának, stabilitásának és alkalmazási területének jelentős növekedésével.

Egyes esetekben tervezési okok miatt nehéz differenciális kapacitív érzékelőt létrehozni (ez különösen igaz a változó hézagú differenciálérzékelőkre). Ha azonban egy példaértékű kondenzátort ugyanabban a házban helyeznek el egy működő kondenzátorral, és ezek kialakításukban, méretükben és felhasznált anyagokban a lehető legnagyobb mértékben megegyeznek, akkor a teljes eszköz érzékenysége a külső destabilizáló hatásokra sokkal kisebb lesz. biztosított . Ilyenkor féldifferenciális kapacitív érzékelőről beszélhetünk, ami a differenciálhoz hasonlóan bikapacitívra utal.

A kéttérfogatú érzékelők kimeneti paraméterének sajátossága, amely a kétdimenziós fizikai mennyiségek (esetünkben a kapacitások) dimenzió nélküli arányaként jelenik meg, okot ad arra, hogy arányérzékelőknek nevezzük őket. Kettős kapacitású érzékelők használata esetén előfordulhat, hogy a mérőeszköz egyáltalán nem tartalmaz szabványos kapacitásméréseket, ami hozzájárul a mérési pontosság növeléséhez.

Lineáris elmozdulás kódolók

A mérendő és szabályozandó nem elektromos mennyiségek sokfélék és változatosak. Jelentős részük lineáris és szögeltolódás. Kondenzátor alapján, hogy elektromos mező a kapacitív elmozdulásérzékelők két fő típusa hozható létre egységesen a munkarésben:

• változtatható elektródafelülettel;

• az elektródák közötti változó hézaggal.

Teljesen nyilvánvaló, hogy az előbbiek kényelmesebbek nagy elmozdulások (mértékegységek, több tíz és száz milliméter), az utóbbiak pedig kis és ultrakis elmozdulások (milliméteres részek, mikrométerek és kisebbek) mérésére.

Szögkódolók

A szögeltolódásos kapacitív jelátalakítók elvileg hasonlóak a lineáris elmozdulású kapacitív átalakítókhoz, és a nem túl kicsi mérési tartományok (fokegységtől kezdve), illetve a változtatható szögrésű kapacitív érzékelők esetében is alkalmasabbak a változtatható felületű érzékelők. eredményesen használható kis és ultrakis szögelmozdulások mérésére. A szögeltolásokhoz általában több szakaszból álló, változó kondenzátorlappal rendelkező átalakítókat használnak.

Az ilyen érzékelőkben az egyik kondenzátorelektróda az objektum tengelyéhez van rögzítve, és forgás közben elmozdul az állóhoz képest, megváltoztatva a kondenzátorlemezek átfedésének területét. Ez viszont kapacitásváltozást okoz, amelyet a mérőkör rögzít.

Inklinométerek

A dőlésmérő (dőlésérzékelő) egy differenciális kapacitív dőlésérzékelő, amely kapszula alakú érzékelőelemet tartalmaz.

Kapacitív dőlésmérő

A kapszula két szigetelőréteggel borított lapos elektródát tartalmazó 1 hordozóból és a hordozóhoz hermetikusan rögzített 2 testből áll. érzékeny elem.A közös elektróda differenciálkondenzátort képez a lapos elektródákkal. Az érzékelő kimeneti jele arányos a differenciálkondenzátor kapacitásának értékével, amely lineárisan függ a ház függőleges síkbeli helyzetétől.

A dőlésmérőt úgy tervezték, hogy a kimenő jel lineárisan függjön a dőlésszögtől az egyik úgynevezett munkasíkban, és gyakorlatilag nem változtatja meg a másik (nem működő) síkban mért értékeket, míg a jele gyengén függ a hőmérséklettől változtatások. A sík térbeli helyzetének meghatározásához két dőlésmérőt használnak, amelyek 90 ° -os szöget zárnak be egymással.

Az érzékelő dőlésszögével arányos elektromos kimeneti jellel rendelkező kis méretű dőlésmérők viszonylag új eszközök. Nagy pontosságuk, miniatűr méretük, a mozgatható mechanikus egységek hiánya, a helyszíni telepítés egyszerűsége és az alacsony költségük miatt nem csak gördülésérzékelőként célszerű használni, hanem szögérzékelőket is cserélni velük, nem csak álló, hanem mozgó is. tárgyakat.

Kapacitív folyadékszint-érzékelők

A nem vezető folyadék szintjének mérésére szolgáló kapacitív távadó két párhuzamosan kapcsolt kondenzátorból áll

Nyomásérzékelők

A kapacitív nyomásátalakító egyik alapvető kialakítása egy állórész, amely abszolút nyomás mérésére szolgál (elektromos nyomásérzékelők).

Egy ilyen szenzor egy fémcellából áll, amelyet egy szorosan megfeszített lapos fémmembrán két részre oszt, amelynek egyik oldalán a testtől elkülönített rögzített elektróda található.A membránelektróda változtatható kapacitást képez, amely a mérőkörben található. Ha a nyomás a membrán mindkét oldalán egyenlő, a jelátalakító kiegyensúlyozott. A nyomásváltozás az egyik kamrában deformálja a membránt és megváltoztatja a kapacitást, amelyet a mérőkör rögzít.

Kétállomásos (differenciális) kivitelben a membrán két rögzített lemez között mozog, és a két kamra egyikébe referencianyomás kerül, amely a legkisebb hibával közvetlen mérést biztosít a nyomáskülönbségről (túl- vagy differenciálról).