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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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!

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.

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.