Принцип работы емкостных датчиков

В современное время на предприятиях промышленности используется огромное количество различных специальных приборов и устройств. Они исполняют важные функции в технологических процессах. В зависимости от конкретного примера это позволяет ускорить, обезопасить, улучшить качество или управляемость процесса.

Одним из таких устройств является датчик емкостного типа. Он позволяет контролировать значение определенных технологических параметров за счет зависимости между величиной своего емкостного сопротивления и значением контролируемого параметра.

Конструкция и принцип работы

Основным элементом емкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика, при этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и еще многих параметров.

Емкость для плоского конденсатора вычисляется по следующей формуле: С = Ɛ×Ɛ₀×S/d, где

• Ɛ – постоянное значение относительно диэлектрической проницаемости среды между пластинами;
• S – площадь пластин;
• d – расстояние между пластинами.

Датчики емкостного типа работают следующим образом:

1. Для контроля объекта генерируется электрическое поле с помощью генератора;
2. Специальное электронное устройство фиксирует изменения напряжения и амплитуды высокочастотных колебаний генератора;
3. Электронный триггер выступает в роли компаратора для того, чтобы установить уровень сигнала для срабатывания устройства;
4. Усилитель масштабирует выходной сигнал до необходимой величины;
5. Срабатывание устройства отображается с помощью индикатора, в роли которого выступает светодиод. По этому индикатору можно отследить момент переключения и по нему произвести настройку чувствительности.
6. Вся электроника устройства находится в компаунде. Это необходимы для защиты электроники от негативных внешних воздействий, например, грязь, вода и т.п.
7. Весь датчик заключается в прочный корпус, который может быть изготовлен как из пластика, так и из латуни. Тем самым устройство защищается от механических воздействий.
8. Чувствительная область датчика, которая взаимодействует с объектом контроля, образована с помощью электродов из металла. При этом электроды являются элементом обратной связи для генератора.
9. Контролируемый объект входит в поле, что приводит к появлению колебаний на генераторе. Значение амплитуды этих колебаний зависит от близости объекта к датчику. Триггер срабатывает при достижении амплитуды колебаний заданного значения.

Виды емкостных датчиков?

По типу исполнения оборудование бывает 2 видов.

Одноемкостные

Простейшее устройство, которое представляет собой переменный конденсатор. При этом стоит отметить, что простота конструкции ведет к чувствительности таких приборов к негативным внешним факторам, таких как влага, перепады температур и т.п.

Двухъемкостные

В схеме таких датчиков используются два переменных конденсатора. Они могут быть дифференциальными, обладающие высокой устойчивостью к внешним факторам, стабильностью и точностью при работе, и полудифференциальными, которые применяются, если первый тип использовать не получается.

По принципу действия или по контролируемой величине емкостные датчики делятся на:

Датчики линейных перемещений. В таких датчиках линейное перемещение объекта преобразуется пропорционально в перемещение пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. По этому значению емкости можно вычислить расстояние, на которое переместился объект.

Датчики угловых перемещений. Принцип действия абсолютно схож с предыдущем типом датчика. Отличие лишь в том, что в данном устройстве идет зависимость углового перемещения от емкости.

Инклинометры. Данный тип датчиков применятся для контроля наклона или крена. Основным элементом является капсула, которая располагается в подложке с планарными электродами. В качестве чувствительного электрода выступает проводящая жидкость, которая располагается внутри корпуса. В совокупности оба эти электрода являются дифференциальным конденсатором. Величина сигнала на выходе датчика пропорциональна емкости этого конденсатора, которая зависит от того, где находится корпус по вертикали. То есть угол наклона, который определяется по вертикальному положению, прямо пропорционален емкости конденсатора. Такие датчики обладают высокой точностью измерения, имеют компактный корпус и небольшой вес, и в целом отличное соотношение цена/качество/функциональность.

Датчики уровня. Очень распространены во многих отраслях промышленности для контроля уровня различных технологических веществ в емкостях, баках и т.п. При этом датчики емкостного типа работают, как с жидкостями различной вязкости, так и с сыпучими материалами. Также такие датчики надежно работают в самых сложных ситуациях, при которых идет большое запыление в емкости или образование конденсата.

Датчики давления. Конструкция подобных датчиков давления бывает одностаторная или двухстаторная. В одностаторных устройствах используется металлическая ячейка, которая делиться на части плоской диафрагмой со статичным электродом. Диафрагма и электрод представляют собой переменный конденсатор. При деформации диафрагмы изменяется значение емкости, которое пропорционально приложенному давлению. В двухстаторных приборах диафрагма может двигаться в обе стороны, за счет этого может измеряться дифференциальное давления. Датчики подобного типа имеют незначительную погрешность.

Области применения

Емкостные датчики получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. Они применяются для непрерывного измерения параметров технологического процесса, таких как уровень, давление. Также они позволяют получать дискретные сигналы о заполнении емкостей, о положениях различных механизмов и т.п.

На сегодняшний день множество применений получают датчики приближения объекта. На многих производствах их можно встретить при выполнении функций контроля наполнения емкостей из пластика или стекла, контроля состояния конвейерной ленты и многого другого.

Датчики угловых и линейных перемещений нашли свое применений в машиностроительных, энергетических и подобны отраслях тяжелой промышленности.

Функционал инклинометра позволяет ему быть востребованным для многих областей, например:

• автоматическая установка платформы в горизонтальное положение;
• контроль прогиба или деформации различных конструкций;
• измерение наклона дорог при их строительстве или обслуживании;
• контроль углового перемещения при вращении.

Особенности емкостных датчиков

Основными достоинствами применения емкостных датчиков являются:

• компактные габариты;
• малое энергопотребление датчика;
• высокий рабочий ресурс;
• формфактор датчика можно удобно приспособить к различным конструкциям.

Из ограничений емкостных датчиков следует выделить:

• малый коэффициент преобразования;
• хороший работа достигается на высокой частоте;
• требуется экранирование чувствительного элемента.