Емкостной датчик: устройство и принцип работы. Емкостные датчики: применение

Современную промышленность, да и повседневную человеческую деятельность человека тоже, невозможно себе представить без разного рода электронных приборов. Они помогают нам во всем, а некоторые технологические операции без них выполнить вообще не удастся. К таковым «помощникам» следует отнести и емкостной датчик.

Так называют преобразователи, изготовленные по параметрическому типу. Измерение некоего объема такими приборами осуществляется благодаря колебаниям емкостного сопротивления при изменении каких-то важных параметров. Проще говоря, оценивается изменение емкости конденсатора под влиянием каких-то внешних факторов.

Принцип работы емкостного датчика

Вот что такое емкостные датчики. Принцип работы их не так сложен, но для его понимания нужно кое-что знать. Для начала вспомним принцип определения емкости конденсатора. Выражается это действие при помощи следующей формулы:

С= εεₒS/δ.

Данное выражение многим известно из школьного курса физики, но не мешало бы освежить память и вспомнить, что подразумевает каждая из переменных:

S – площадь конденсаторной пластины.
Ε – относительная проницаемость диэлектрического материала, использованного в конструкции конденсатора.
εₒ — так в физике принято обозначать диэлектрическую проницаемость вакуума.
δ – так может обозначаться или толщина пластины диэлектрика, или же расстояние между несколькими слоями материала.

Таким образом, из приведенной формулы следует, что изменить емкость конденсатора легко. Достаточно как-то подействовать на площадь пластины диэлектрического материала, на расстояние между пластинами или непосредственно на проницаемость использованного при производстве материала. Соответственно, выбор конкретной величины зависит исключительно от перечня задач, которые конструкторы поставили перед прибором.

Таким образом, можно даже сделать емкостной датчик своими руками, так как с конструктивной точки зрения это – обычный плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого постоянно испытывает контролируемое перемещение в пространстве, что приводит к изменению емкости. Следует помнить, что приведенная выше формула верна только в том случае, если вы полностью пренебрегаете краевыми эффектами. Мы еще поговорим об этом в заключительной части нашей статьи.

Следует знать, что такого рода электронные приборы интенсивно используются для измерения угловых и линейных перемещений предметов, вычисления размеров, прикладываемой работы, влажности, концентрации действующего вещества и прочих характеристик. Что касается конструктивной стороны вопроса, то упомянутые КИПы изготавливают плоскопараллельными, в цилиндрических корпусах, со штыревыми электродами, с прокладкой из диэлектрического материала и вовсе без него.

Вот как функционируют емкостные датчики. Принцип работы некоторых из них нужно знать особенно подробно. В рамках этой статьи мы приведем несколько формул, которые могут оказаться для вас полезными.

Как работает такой измеритель

По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.

Про конденсатор, его характеристики

Как известно, емкость конденсатора определяется формулой

С=Ɛ×Ɛ0×S/d

Где:

Ɛ0 — диэлектрическая постоянная;
Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами;
d — зазор между обкладками;
S — площадь обкладок.

В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.

Принцип работы емкостного измерителя

Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.

Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.

Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.

Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.

Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.

Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.

Формулы для описания принципа действия некоторых видов датчиков

Датчик уровня с возможным изменением площади диэлектрических пластин может быть довольно легко описан при помощи следующего уравнения:
С= εεₒаХ/δ.

Под «Х» в данном случае понимается длина перекрытия используемых электродов. Соответственно, «а» обозначает ширину пластин самого конденсатора. Нужно заметить, что такие приборы нашли свое применение в самых различных областях промышленности, где их используют для точнейшего измерения угловых величин. Емкость преобразователя в таком случае находят посредством следующего выражения:

С= εεₒ(r₂- r₁)/2δ * (φₒ-φ).

Дабы точно измерить чувствительность, следует применять несколько иную формулу:

K= εεₒ(r₂- r₁)/2δ.

Давайте разберемся, что подразумевается под теми переменными, которые входят в состав данных уравнений:

r₁ — внутренний радиус пластины конденсатора;
r₂ — наружный радиус все той же пластины;
φ – измеряемое в данный момент (текущее) значение угла перекрытия;
φₒ — начальное значение угла перекрытия.

Наконец, разберем математическое выражение, которое описывает принцип работы емкостного измерителя с изменяемым воздушным зазором:

С= εεₒS/(δₒ-Х).

Нетрудно догадаться, что под δₒ понимается первичный зазор, литерой же Х обозначают величину перемещения пластины. Обратите внимание! Так как статические характеристики сугубо не линейны, обычно датчик уровня такого типа применяют для измерения чрезвычайно малых перемещений, величина которых не превышает 0,1δₒ. Естественно, эти приборы крайне востребованы в точном машиностроении, где даже меньшая погрешность может привести к возникновению достаточно серьезных проблем.

LC фильтры как основа емкостного измерения

Одной из главных проблем емкостного измерения является наличие паразитных шумов. Модификация измерительного устройства включающего в себя частотно-чувствительный компонент позволяет повысить помехоустойчивость. Дополнительно к датчику добавляется конденсатор и катушка индуктивности для формирования резонансного колебательного контура.

Где: а) схема фильтра; б) его характеристика.

Хотя архитектура LC фильтра проста, он имеет несколько существенных преимуществ при интеграции в состав емкостного измерительного устройства.

Во-первых, LC резонатор обеспечивает отличную устойчивость к электромагнитным помехам, а во-вторых, работающий на определенных частотах источник шума вполне может быть отфильтрована LC резонатором без использования внешних схем. Это уменьшает сложность системы и уменьшает ее стоимость.

Изменение емкости LC контура приведет к сдвигу резонансной частоты. Этот принцип использует FDC2214 в емкостно-цифровом преобразователе, который измеряет частоту колебаний LC фильтра. Устройство выдает цифровое значение, пропорциональное этой частоте. Данные измерения могут быть преобразованы в эквивалентную емкость нижестоящему микроконтроллеру.

Где они могут быть использованы?

Области их возможного применения чрезвычайно разнообразны. Так, практически во всех отраслях промышленности можно встретить операции, которые контролируются именно этими приборами. Их применяют для контроля над заполнением различных резервуаров, причем их содержимое может быть жидким, сыпучим или же газообразным (датчик газа).

Распространенность их в промышленности и обычной производственной деятельности человека тем выше, чем надежнее и проще конструкция таких приборов. По совокупности этих признаков они настолько хороши, что их можно использовать даже в невероятно агрессивных условиях трюмов нефтеналивных танкеров.

Кроме того, емкостной датчик может быть использован в качестве конечного выключателя на конвейерной линии или станке производственного цеха. Необходим он и для наиболее точного позиционирования различных механизмов.

Сферы применения

Данные устройства используются в следующих целях:

Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
Как компонент охранных устройств автомобилей.
Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
При установке систем автоматического включения/выключения светильников.

Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.

Датчики приближения

Но в настоящее время особым спросом пользуются датчики приближения, которые выполнены по точно такому же принципу. Спектр их использования еще шире. Связано это с копеечной стоимостью устройств и возможностью работы практически во всех видах промышленности. Впрочем, имеются типичные отрасли, где приборы этого типа являются наиболее востребованными:

Контроль над заполнением жидкостью прозрачных емкостей из пластика или стекла.
Аналогичная функция выполняется ими на производстве продуктов питания (в том числе и детских), где готовый товар расфасовывается в емкости из прозрачных материалов. На этом же принципе основана и работа такого КИПа, как емкостной датчик топлива.
Для контроля опасных участков, где возможен обрыв обмоточного провода.
Контроль аналогичных мест, где может быть повреждена несущая лента конвейера.
Поштучный контроль выпускаемого типа продукции (пересчет банок, бутылок, упаковок).

Неудивительно, что эти электронные приборы являются наиболее распространенной в точном машиностроении, энергетике и многих других отраслях разновидностью датчиков.

Автоматизация с помощью датчиков уровня

Фотореле и принципы их работы

У нас есть готовые решения по автоматизации и диспетчеризации водоканалов, а также по мониторингу и контролю КНС, за коллекторами предприятий и по контролю за сбросом не охлажденной воды от ТЭЦ. Системы автономные и имеют архив.

Мы предлагаем системы централизованного наблюдения и управления скважинами и работой насосных механизмов. Использование наших приборов и систем позволяет пользователю получать достоверные данные о дебете скважины, расходе, уровне, давлении и прочих параметров.

Мы поставляем защищенный КИП. В том числе датчики уровня жидкости со взрывозащитой и искробезопасные преобразователи и реле для самых разных отраслей промышленности. Например, наши приборы способны функционировать при температуре воздуха ниже – 35*С или на опасном нефте перерабатывающем участке производства.

Среди наших заказчиков почти все регионы России, например, города: Санкт‐Петербург, Москва, Новый Уренгой, Мурманск, Брянск, Нижний Новгород, Великий Новгород, Екатеринбург, Голицыно, Ханты‐Мансийск, Архангельск, Старый Оскол, Черкесск.

Каждый датчик уровня жидкости, представленный в нашем ассортименте, имеет надлежащую спецификацию и информацию о принципах действия и рекомендациях к применению, с которыми вы можете ознакомиться, прежде чем сделаете заказ. Это поможет вам определиться с выбором и познакомиться с возможностями каждого вида автоматики. Если вы затрудняетесь в выборе и хотите получить более широкую информацию по конкретным видам датчиков, преобразователей и реле уровня жидкости, наши квалифицированные специалисты предоставят вам необходимую консультацию.

«Полтраф СНГ» осуществляет поставки в Санкт-Петербурге, Москве, а также в другие регионы России и по странам СНГ.

Мониторинг уровня вод с использованием гидростатических датчиков уровня жидкости

Современную промышленность сложно представить без систем автоматизации и управления, значительную часть в которой занимают датчики, преобразователи и реле уровня жидкости. Они предназначены для установки в различных резервуарах для определения уровня жидких сред. Основное распространение этот вид датчиков получил в пищевой, химической и фармацевтической промышленности, а также при производстве промышленного и бытового оборудования (стиральных, посудомоечных машин, систем фильтрации и подачи воды и т. д.).

В зависимости от принципа действия датчики, преобразователи и реле уровня жидких сред классифицируют на два типа: контактные (поплавкового типа) и бесконтактные (электромагнитные, волоконно-оптические, емкостные, частотные, гидростатические и ультразвуковые).

Выбор датчиков уровня (уровнемеров)

В ассортименте продукции вы можете купить датчики, преобразователи и реле уровня воды для измерения как одного заданного уровня, так и для непрерывного отслеживания изменения уровня воды в резервуаре. Это дает возможность автоматизировать сложные технологические системы и значительно упрощать производственный процесс, или работу оборудования.

Точность проводимых измерений, а также надежность и стоимость автоматики, напрямую зависят от типа датчика, а также условий его эксплуатации. Так, например, емкостные измерители уровня жидкости применяются в особо сложных условиях, для чего они дополнительно оснащены системами защиты от короткого замыкания и переполюсовки при подключении питания.

Пьезоэлектрические датчики уровня жидкости допускают использование при измерении любых типов жидкостей, включая возможность образования пара или пены. Наиболее недорогими типами датчиков являются ультразвуковые или радарные датчики жидкости, которые также отличаются высокой надежностью и защищенным от внешнего воздействия корпусом. Однако точность измерений такого датчика может составлять около +/− 3 мм.

Для сравнения волоконно-оптические датчики уровня жидких сред, цена которых значительно выше, чем у емкостных, обеспечивают точность +/− 0,5 мм. Кроме того оптические датчики позволяют выполнять измерения как в чистой так и в мутной жидкости. Датчики, преобразователи и реле уровня жидкости могут также быть отечественного и импортного производства, что также определят их стоимость.

Инклинометры

Приборами, которые стали сравнительно распространенными только в последние годы, являются малогабаритные емкостные инклинометры, обеспечивающие передачу электрического выходного сигнала, величина которого прямо пропорциональна углу наклона используемого датчика.

Наиболее распространенные основные области использования данных приборов: системы выравнивания платформ, определение величины прогиба и технической деформации разного рода опорных балок, а также точнейший контроль уклона автомобильных, железнодорожных путей еще на этапе их строительства.

Кроме того, с помощью таких устройств определяют крен большегрузных автомобилей и прочего транспорта, подъемников и промышленных экскаваторов, а также выясняют степень углового перемещения в отношении сельскохозяйственных и промышленных машин особо большого размера.

Очень важны емкостные датчики уровня топлива в нефтяной промышленности. Они используются даже на супертанкерах, которые за один рейс перевозят десятки и сотни тысяч тонн переработанных нефтепродуктов. Чрезвычайно эффективны эти приборы даже в условиях образования крайне обильного конденсата и высокой степени запыленности производственного помещения (тот же датчик газа).

Находят они свое применение и при измерении величины абсолютного и относительного уровня давления, а также толщины диэлектрического материала, что чрезвычайно важно практически во всех отраслях промышленности, где используются действительно мощные конденсаторы.

Схемы для изготовления своими руками

Для организации сенсорного управления емкостной датчик легко создать на основе, конденсатора и пары резисторов. При касании к проводам, происходит накапливание электрического заряда, регулируя величину которого, можно изменять время зарядки/разрядки. Такую схему можно применить для управления настольной лампой или иным светильником. В схеме должен присутствовать электронный компаратор, который будет сравнивать время зарядки конденсатора с эталонным (пороговым) значением, и выдавать соответствующий управляющий сигнал.

Электронные схемы с сенсорным контролем более интерактивны для пользователя, чем традиционные, поэтому могут эффективно применяться с целью переключения питания. Емкость конденсатора определяет уровень чувствительности: при повышении емкости чувствительность увеличивается, но для питания устройства потребуется больше мощности и меньшее время срабатывания. Для индикации можно применить обычный светодиод.

Основные преимущества емкостных датчиков

Необходимо заметить, что емкостной датчик обладает большим количеством преимуществ, если сравнивать его с аналогичными приборами, которые выполнены по несколько иным принципам. Давайте перечислим основные достоинства этих КИПов:

В изготовлении они чрезвычайно просты. Кроме того, в их производстве могут быть использованы самые простые и дешевые материалы. Даже емкостные датчики уровня топлива, используемые на важных объектах нефтяной промышленности, имеют крайне скромные габариты, обладают минимально возможным уровнем потребления электрической энергии. При всех этих характеристиках они отличаются превосходным уровнем чувствительности, который нередко недостижим и для более дорогих приборов.
В принципе, можно сделать емкостной датчик своими руками, используя в качестве его основы любой более-менее надежный и качественный промышленный конденсатор.
Контактов у них нет (очень редко используется один токосъемник), что крайне благоприятно сказывается на работе в условиях высокой запыленности и влажности в помещении.
Срок эксплуатации чрезвычайно долог, прибор многократно успевает «отбить» свою невысокую стоимость. Соответственно, датчик емкостной (цена которого находится в пределах 1200-1700 рублей) является чрезвычайно выгодным приобретением.
Для перемещения подвижной части прибора требуется приложить удивительно мало усилий.
Устройство очень легко сочетается практически со всеми категориями оборудования, которое только используется в промышленной деятельности.

Схема подключения герконового датчика уровня воды

Герконовые переключатели являются маломощными устройствами и неспособны коммутировать большие токи, поэтому они не могут быть использованы непосредственно для отключения и включения насоса. Обычно они задействованы в низковольтной схеме коммутации работы мощного реле насоса, помещенной в шкаф управления.

На рисунке представлена простейшая схема с датчиком, реализующая управление дренажным насосом в зависимости от водного уровня при откачке, состоящая из двух герконов SV1 и SV2.

При достижении жидкостью верхнего уровня магнит с поплавком включает верхний геркон SV1 и на катушку реле P1 подается напряжение. Ее контакты замыкаются, происходит параллельное подключение к геркону и реле самозахватывается.

Напряжение поступает на катушку мощного реле в цепи электропитания насоса, его контакты замыкаются и электронасос начинает работать. При падении уровня воды и достижении поплавка с магнитом нижнего геркона SV2 он включается и на катушку реле P1 с другой стороны также подается положительный потенциал, ток перестает течь и реле P1 отключается. Это вызывает отсутствие тока в катушке силового реле P2 и как следствие прекращение подачи напряжения питания на электронасос.

Рис. 6 Поплавковые вертикальные датчики уровня воды

Аналогичная схема управления насосом, помещенная в шкаф управления, может быть использована при отслеживании уровня в емкости с жидкостью, если герконы поменять местами, то есть SV2 будет находиться вверху и отключать насос, а SV1 в глубине бака с водой его включать.

Датчики уровня могут быть использованы в быту для автоматизации процесса при заполнении больших емкостей водой при помощи водяных электронасосов. Наиболее просты в установке и эксплуатации герконовые виды, выпускаемые промышленностью в виде вертикальных поплавков на штангах и горизонтальных конструкций.

Для автоматизации многих производственных процессов необходимо контролировать уровень воды в резервуаре, измерение проводится при помощи специального датчика, подающего сигнал, когда технологическая среда достигнет определенного уровня. Без уровнемеров невозможно обойтись и в быту, яркий пример этому – запорная арматура бачка унитаза или автоматика для отключения насоса скважины. Давайте рассмотрим различные виды датчиков уровня, их конструкцию и принцип работы. Эта информация будет полезной при выборе устройства под определенную задачу или изготовлении датчика своими руками.

Конструкция и принцип действия

Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:

Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
Методом измерения (контактный или бесконтактный).

Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело – измерять высоту питьевой воды в баке, другое – проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.

Отрицательные моменты

К сожалению, каждый емкостной датчик имеет определенные недостатки, которые в той или иной мере затрудняют повсеместное использование данного типа оборудования. Перечислим их более подробно:

Коэффициент преобразования (то есть передачи) сравнительно невысок.
Малые размеры и простота конструкции способствуют тому, что выдвигаются довольно высокие требования к качеству экранирования приборов.
Хороший емкостной датчик уровня (и прочие подобные измерительные приборы) может эффективно работать только на частоте, намного превышающей стандартное значение в 50 Гц.

Измерение без прикосновения

Емкостное измерение это не емкостной сенсор (похожая технология, оптимизированная для выполнения функций цифрового коммутатора)! Емкостная сенсорная система использует множества каналов в строке и столбце расположения (как на сенсорном экране телефона или планшете). Сенсорный экран требует непосредственного контакта и работает в течении очень короткого диапазона – в большинстве случаев это несколько миллиметров.

В отличии от похожей системы – сенсорного экрана, емкостной датчик является аналоговой системой и работает на расстоянии до 70 см. Он имеет гораздо большую чувствительность и точность, поскольку происходит изменение емкости всего в несколько пикофарад.

Важные замечания

Впрочем, все не так плохо. Многие производители добиваются прекрасных характеристик экранировки датчиков за счет внесения минимальных изменений в их конструкцию. Что же касается частоты использования, то на практике они показывают прекрасные результаты при широко распространенном в промышленности значении в 400 Гц.
Мы уже говорили о верности основной формулы только при условии игнорирования краевого эффекта. Но при этом полезно знать, что он действительно может оказать негативное влияние только лишь в том случае, если расстояние между пластинами диэлектрика сопоставимо с их собственными размерами. Кроме того, негативный эффект можно в значительной степени нивелировать, попросту использовав защитное кольцо. В этом случае границы влияния эффекта удается перенести далеко за пределы используемых обкладок.

Еще раз заметим, что те же датчики давления отличаются замечательной простотой, которая позволяет создавать на диво устойчивые, прочные и дешевые конструкции. Если правильно подобрать геометрические размеры используемого диэлектрика, то об используемых в производстве такого конденсатора материалах можно особо не беспокоиться.

Таким образом, правильно подобрав марку металла для изготовления корпуса датчика, можно практически пренебречь даже сильными температурными колебаниями, которые бы могли привести у изменению емкости прибора и неадекватности его показаний. Конечно же, это вовсе не отменяет необходимости максимально тщательно изолировать датчики давления и прочие подобные индикаторы от агрессивных факторов внешней среды. Несмотря на их простоту, высокая влажность и повышенный уровень радиации могут крайне негативно сказаться на надежности прибора.

Область применения датчиков уровня воды

Рис. 1 Принцип действия поплавкового датчика уровня (ПДУ)

Большой накопительный бак для воды может потребоваться и для водоснабжения дома, если дебит водозаборной емкости очень мал или производительность самого насоса не может обеспечить потребление воды, соответствующее необходимому уровню. В этом случае устройства контроля уровня жидкости для автоматической работы системы водоснабжения также необходимы.
Систему контроля за уровнем жидкости можно использовать и при работе с устройствами, в которых отсутствует защита от сухого хода скважинного насоса, датчик давления воды или поплавковый выключатель при откачивании грунтовых вод из подвалов и помещений с уровнем ниже поверхности земли.

Классификация датчиков

Используемые в промышленности способы их производства позволяют поделить все выпускаемые типы датчиков на две большие группы: одноемкостные и двухъемкостные. Последняя разновидность подразделяется на дифференциальные и полудифференциальные. Расмотрим их более подробно.

Одноемкостный прибор. В этом случае схемы емкостных датчиков просты до крайности, так как основной их частью является самый обычный конденсатор с переменной емкостью. К сожалению, даже слегка повышенная влажность и температура оказывают на точность показаний весьма ощутимое влияние. Из-за этого нередко возникают различные неисправности датчиков. Чтобы нивелировать величины таких погрешностей, приходится использовать дифференцированные конструкции.

Двухъемкостный датчик. Собственно, он-то и является такой дифференцированной структурой. Очень часто можно встретить емкостной датчик уровня, изготовленный именно по такой схеме. Эти приборы избавлены от основных недостатков предыдущей модели, но имеют собственные слабые стороны. Наиболее значимым их недостатком является необходимость использования двух-трех экранированных проводов между самим устройством и поверхностью, так как только таким способом можно подавить так называемые паразитные емкости.

Впрочем, на довольно сложные схемы емкостных датчиков в этом случае легко не обращать внимания, так как взамен вы получаете чрезвычайно точный и чувствительный прибор.

Специфика конструирования датчиков

Во многих случаях (с конструкторской точки зрения) создание таких приборов является довольно проблематичным. Особенно это актуально тогда, когда требуется создать датчик с переменным уровнем емкости. Впрочем, практика показывает, что многие проблемы практически полностью решаются точной калибровкой и высокими характеристиками используемых в производстве материалов. Чаще всего с этими затруднениями приходится сталкиваться производителям двухъемкостных датчиков.
Вообще специфика этого типа измерительных приборов заключается в том, что их можно представить в виде безразмерного соотношения двух физических величин (емкостей), которые имеют точное физическое выражение и значение. Так что их можно смело именовать «датчиками отношения». Преимущество этих приборов (огромный их плюс!) состоит в том, что они вообще могут не иметь в своей конструкции каких-то эталонных мер, что здорово повышает их надежность в действительно экстремальных ситуациях и условиях.

Введение

Есть много типов датчиков приближения, используемых в различных приложениях. Мы используем емкостные датчики приближения для бесконтактного обнаружения любого типа объекта. Они воспринимают объекты, измеряя изменение электрического свойства, емкость.
Эта статья призвана предоставить подробное руководство по емкостные датчики приближения и их приложения.

Характеристика датчиков линейных перемещений

Все неэлектрические величины, которые часто требуется контролировать в промышленных условиях, чрезвычайно разнообразны и многогранны. Значительную часть мер, которые подлежат строгому контролю, составляют угловые и даже линейные перемещения разного рода поверхностей в пространстве. Если использовать конденсатор, у которого абсолютно равномерное электрическое поле в рабочем зазоре, то не так уж и трудно сделать электронные датчики двух следующих типов:

У которых площадь электродов будет переменной.
Те, которые имеют переменный зазор между этими электродами.

Нетрудно понять, что первый тип наиболее подходит для фиксации действительно больших перемещений, в то время как при помощи второй разновидности можно замечать даже такие передвижения тела в пространстве, величина которых равна всего лишь нескольким микронам!

Как конденсатор превращается в датчик

В данном случае причина и следствие меняются местами. Когда на проводник подается напряжение, электрическое поле образуется у каждой поверхности. В емкостном датчике измерительное напряжение подается на чувствительную зону зонда, причём для точных измерений электрическое поле от зондируемой области должно содержаться именно в пространстве между зондом и целью.

В отличие от обычного конденсатора, при работе емкостных датчиков электрическое поле может распространяться на другие предметы (или на отдельные их области). Результатом станет то, что система будет распознавать такое составное поле как несколько целей. Чтобы этого не произошло, задняя и боковые стороны чувствительной области окружают другим проводником, который поддерживается под тем же напряжением, что и сама чувствительная область.

При подаче эталонного напряжения питания, отдельная цепь подает точно такое же напряжение на защиту датчика. При отсутствии разницы в значениях напряжений между зоной чувствительности и защитной зоной, электрическое поле между ними отсутствует. Таким образом, исходный сигнал может исходить только от незащищенного фронта первичной цепи.

В отличие от конденсатора, на действие емкостного датчика будет влиять плотность материала объекта, поскольку при этом нарушается однородность создаваемого электрического поля.

Датчики для определения угловых перемещений

В общем-то, по конструкции и назначению они практически полностью идентичны только что рассмотренному нами типу. Схожесть проявляется и в том, что датчики с переменной площадью электродов также следует использовать для больших измерений, а с переменным расстоянием между самими электродами – для малых. Как правило, такие приборы делаются многосекционными, с возможностью изменения площади обкладок конденсатора.

Чтобы достичь этого, первый электрод крепится к подвижному валу, при вращении которого он меняет свое положение относительно второго, что обеспечивает изменение площади перекрытия пластин диэлектрика в конденсаторе. Естественно, что при этом фиксируется изменение емкости.

Сборка датчика уровня воды

На пластиковый хомут закрепите Герконы термоклеем, предварительно определив необходимое расстояние экспериментально. Соединение обработайте силиконом;
Готовый браслет оденьте на муфту. Длина держателя поплавка определяет ход срабатывания устройства;
Поплавок нужно нагреть феном и быстро положить на муфту, затем склеить и соединить заклепками. Хомут должен легко вращаться вокруг муфты с герконами;
Установите заглушки на поплавок и прикрепите его к профилю заклепками;
Также крепится неодимовый магнит, который должен находиться на расстоянии срабатывания Герконов;
Просверлите в муфте отверстие и установите стопор поплавка;
Собранную конструкцию оденьте на трубу и соедините штекер и светодиодный индикатор.

Прилагаю фотографий сборки:

Выводы

Вот мы и рассмотрели основные характеристики приборов такого уровня, узнали о сферах их применения, об особенностях конструкции, принципе действия и возможных технических решениях. Как вы могли понять из статьи, распространенность емкостных датчиков и их крайне высокая популярность основываются на весьма привлекательной цене таких устройств и долгом сроке эксплуатации даже в сложных условиях внешней среды.
Все это возможно благодаря тому, что, с конструктивной точки зрения, все эти измерители являются всего лишь стандартными конденсаторами, которые характеризуются несколько необычным способом их применения. Впрочем, вы и сами можете это выяснить, еще раз взглянув на математические формулы, которые в общих чертах отражают принципы работы КИПов.

Блок-диаграмма работы

Не являясь прямонаправленным, емкостной датчик измеряет некоторую емкость от объектов, которые постоянно присутствуют в окружающей среде. Поэтому неизвестные объекты обнаруживаются им как увеличение этой фоновой емкости. Она значительно больше, чем емкость объекта, и постоянно изменяется по величине. Поэтому рассматриваемые устройства используются для обнаружения изменений в окружающей среде, а не для обнаружения абсолютного присутствия или отсутствия неизвестного объекта.

При приближении цели к зонду величина электрического заряда или емкости изменяется, что и фиксируется электронной частью датчика. Результат может выводиться на экран или сенсорную панель.

Для производства измерения прибор подключается к печатной плате с сенсорным контроллером. Сенсоры оснащаются управляющими кнопками. Которыми можно включать в работу несколько зондов одновременно.

Сенсорные экраны используют датчики с электродами, расположенными в ряды и столбцы. Они находятся либо на противоположных сторонах основной панели, либо на отдельных панелях, которые разделены между собой диэлектрическими элементами. Контроллер циклически переключается между различными зондами, чтобы сначала определить, к какой строке касаются (направление Y), а затем к какому столбцу (направление X). Зонды часто изготавливаются из прозрачного пластика, что повышает информативность результата измерения.

Гистерезис

Гистерезис — это разница между расстоянием включения и расстоянием выключения. Он определяет зона А не линия для восприятия объекта.

Гистерезис заставляет выходной сигнал «фиксироваться», даже когда объект движется от поля датчика или к нему. Это предотвращает эффект «дребезжания» (многократное включение и выключение выхода), если объект находится на границе диапазона обнаружения.

Гистерезис — независимый параметр. Это процент от номинального расстояния срабатывания. Например, датчик с номинальным расстоянием срабатывания 20 мм может иметь максимальный гистерезис 15%. Это около 3 мм диапазона срабатывания. Он может варьироваться от датчика к датчику, даже у одной и той же модели.

Есть несколько факторов, которые могут повлиять на гистерезис:

Температура окружающей среды и локальный датчик температуры
атмосферное давление
Относительная влажность
Механическое напряжение корпуса датчика
Корреляция чувствительности — более высокая чувствительность, больший гистерезис