Емкостным датчиком именуют преобразователь параметрического типа, в каком изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области внедрения емкостных датчиков

Вероятные области внедрения емкостных датчиков очень многообразны. Они употребляются в системах регулирования и управления производственными процессами практически во всех отраслях индустрии. Емкостные датчики используются для контроля наполнения резервуаров водянистым, пылеобразным либо зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматических линиях, конвейерах, ботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования разных устройств и т. д.

В текущее время более обширное распространение получили датчики приближения (присутствия), которые кроме собственной надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнимо низкую цена, датчики приближения обхватывают большой диапазон направленности по собственному применению во всех отраслях индустрии. Обычными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

• сигнализация наполнения емкостей из пластика либо стекла;

• контроль уровня наполнения прозрачных упаковок;

• сигнализация обрыва обмоточного провода;

• регулирование натяжения ленты;

• поштучный счет хоть какого вида и др.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются более всераспространенными устройствами, обширно применяемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в разных измерительных комплексах.

Сравнимо новыми устройствами, доведенными до широкого промышленного внедрения в последние годы, стали компактные емкостные инклинометры с электронным выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика.. В качестве главных можно считать последующие области внедрения инклинометров: внедрение в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок, контроль углов наклона авто и стальных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации, определение наклона автомобилей, кораблей и подводных ботов, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин, определение углового перемещения различного рода крутящихся объектов – валов, колес, устройств редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, лекарственной, хим, нефтеперерабатывающей индустрии. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими субстанциями (проводящими и непроводящими), также в критериях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в разных отраслях индустрии для измерения абсолютного и лишнего давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

Достоинства емкостных датчиков по сопоставлению с датчиками других типов

Емкостные датчики владеют целым рядом преимуществ по сопоставлению с датчиками других типов. К их плюсам относятся:

• простота производства, внедрение дешевых материалов для производства; — малые габариты и вес; — низкое потребление энергии; — высочайшая чувствительность;

• отсутствие контактов (в неких случаях – один токосъем);

• длинный срок эксплуатации;

• потребность очень малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

• простота приспособления формы датчика к разным задачкам и конструкциям;

Недочеты емкостных датчиков

К недочетам емкостных датчиков следует отнести:

• сравнимо маленький коэффициент передачи (преобразования);

• высочайшие требования к экранировке деталей;

• необходимость работы на завышенной (по сопоставлению с 50 Гц) частоте;

Но почти всегда можно достигнуть достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика указывает, что емкостные датчики дают отличные результаты на обширно всераспространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значимым, только когда расстояние меж обкладками сопоставимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некой степени убрать, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его воздействие за границы поверхности обкладок, реально применяемой при измерении.

Емкостные датчики замечательны собственной простотой, что позволяет создавать крепкие и надежные конструкции. Характеристики конденсатора зависят только от геометрических черт и не зависят от параметров применяемых материалов, если эти материалы верно подобраны. Как следует, можно сделать пренебрежимым воздействие температуры на конфигурации площади поверхности и расстояния меж обкладками, верно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается только защищать датчик от тех причин среды, которые могут усугубить изоляцию меж обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные свойства емкостных датчиков – малая величина механического усилия, нужного для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высочайшая точность работы – делают емкостные датчики неподменными в устройствах, в каких допускаются погрешности только в сотые и даже тысячные толики процента.

Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности

Обычно емкостный датчик представляет собой тонкий либо цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора последующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной меж обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние меж ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть применены при измерении разных величин по трем фронтам зависимо от многофункциональной связи измеряемой неэлектрической величины со последующими параметрами:

• переменной диэлектрической проницаемостью среды ε;

• площадью перекрытия обкладок S;

• изменяющимся расстоянием меж обкладками d.

В первом случае емкостные преобразователи можно использовать для анализа состава вещества, так как диэлектрическая проницаемость является функцией параметров вещества. При всем этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего место меж пластинами. В особенности обширно емкостные преобразователи этого типа используются при измерении влажности жестких и водянистых тел, уровня воды, а так же определения геометрических размеров маленьких объектов. Почти всегда практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг дружку. На базе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Систематизация емкостных датчиков

По методу выполнения все емкостные измерительные преобразователи можно поделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится существенное воздействие наружных причин, таких как влажность и температура. Для компенсации обозначенных погрешностей используют дифференциальные конструкции. Недочетом таких датчиков по сопоставлению с одноемкостными является необходимость как минимум 3-х (заместо 2-ух) экранированных соединительных проводов меж датчиком и измерительным устройством для угнетения так именуемых паразитных емкостей. Но этот недочет окупается значимым увеличением точности, стабильности и расширением области внедрения таких устройств.

В неких случаях дифференциальный емкостный датчик сделать проблемно по конструкторским суждениям (в особенности это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Но если и при всем этом примерный конденсатор расположить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по способности схожими по конструкции, размерам, используемым материалам, то будет обеспечена существенно наименьшая чувствительность всего устройства к наружным дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно гласить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфичность выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение 2-ух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание называть их датчиками дела. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообщем не содержать примерных мер емкости, что содействует увеличению точности измерения.

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, очень многочисленны и многообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На базе конденсатора, у которого электронное поле в рабочем зазоре умеренно, могут быть сделаны конструкции емкостных датчиков перемещения 2-ух главных типов:

• с переменной площадью электродов;

• с переменным зазором меж электродами.

Довольно разумеется, что 1-ые более комфортны для измерения огромных перемещений (единицы, 10-ки и сотки мм), а 2-ые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (толики мм, микрометры и наименее).

Датчики угловых перемещений

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу деяния емкостным датчикам линейных перемещений, при этом датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не очень малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с фуррором употребляться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений употребляют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении сдвигается относительно недвижного, меняя площадь перекрытия пластинок конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Инклинометры

Инклинометр (датчик наклона) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с 2-мя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса отчасти заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно находится в зависимости от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так именуемой рабочей плоскости и фактически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при всем этом его сигнал слабо находится в зависимости от конфигурации температуры. Для определения положения плоскости в пространстве употребляется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

Компактные инклинометры с электронным выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнимо новыми устройствами. Их высочайшая точность, маленькие размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая цена делают целесообразным использовать их не только лишь в качестве датчиков наклона, да и подменять ими угловые датчики, при этом не только лишь на стационарных, да и на подвижных объектах.

Емкостные датчики уровня воды

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей воды представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Датчики давления

Одной из главных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления.

Таковой датчик состоит из железной ячейки, разбитой на две части туго натянутой плоской железной диафрагмой, с одной стороны которой размещен недвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы идиентично, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.

В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается меж 2-мя недвижными пластинами в одну из 2-ух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (лишнего либо разностного) давления с меньшей погрешностью.