Χωρητικοί αισθητήρες

Ένας χωρητικός αισθητήρας ονομάζεται μετατροπέας παραμετρικού τύπου όπου μια αλλαγή στη μετρούμενη τιμή μετατρέπεται σε αλλαγή χωρητικότητας.

Εφαρμογές χωρητικού αισθητήρα

Οι πιθανές εφαρμογές για χωρητικούς αισθητήρες είναι εξαιρετικά διαφορετικές. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα ρύθμισης και ελέγχου βιομηχανικών διεργασιών σε όλες σχεδόν τις βιομηχανίες. Οι χωρητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της πλήρωσης δεξαμενών με υγρές, σκόνες ή κοκκώδεις ουσίες, όπως οριακούς διακόπτες σε αυτοματοποιημένες γραμμές, μεταφορείς, ρομπότ, κέντρα μηχανικής κατεργασίας, μηχανές κοπής μετάλλων, σε συστήματα σήματος, για τοποθέτηση διαφόρων μηχανισμών κ.λπ.

Επί του παρόντος, οι πιο διαδεδομένοι είναι οι αισθητήρες εγγύτητας (παρουσίας), οι οποίοι, εκτός από την αξιοπιστία τους, έχουν και ένα ευρύ φάσμα πλεονεκτημάτων. Με σχετικά χαμηλό κόστος, οι αισθητήρες εγγύτητας καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα κατευθυντικότητας στην εφαρμογή τους σε όλους τους κλάδους. Τυπικοί τομείς χρήσης για χωρητικούς αισθητήρες αυτού του τύπου είναι:

• σηματοδότηση για πλήρωση πλαστικών ή γυάλινων δοχείων.

• έλεγχος του επιπέδου πλήρωσης των διαφανών συσκευασιών.

• συναγερμός θραύσης πηνίου.

• Ρύθμιση τάσης ζώνης.

• μερικός λογαριασμός κάθε είδους κ.λπ.

Οι χωρητικοί γραμμικοί και γωνιακοί κωδικοποιητές είναι οι πιο κοινές συσκευές, που χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική και τις μεταφορές, τις κατασκευές και την ενέργεια, σε διάφορα συγκροτήματα μέτρησης.

Οι σχετικά νέες συσκευές που έχουν τεθεί σε ευρεία βιομηχανική χρήση τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει μικρού μεγέθους χωρητικά κλισίμετρα με ηλεκτρικό σήμα εξόδου ανάλογο με τη γωνία κλίσης του αισθητήρα…. Οι ακόλουθοι τομείς εφαρμογής των κλίσεων μπορούν να θεωρηθούν ως οι κύριοι: χρήση σε συστήματα ισοπέδωσης πλατφόρμας, προσδιορισμός αποκλίσεων και παραμορφώσεων διαφόρων τύπων στηριγμάτων και δοκών, έλεγχος γωνιών κλίσης δρόμων και σιδηροδρόμων κατά την κατασκευή, επισκευή και λειτουργία τους. Προσδιορισμός του ρολού αυτοκινήτων, πλοίων και υποβρύχιων ρομπότ, ανυψωτικών και γερανών, εκσκαφέων, γεωργικών μηχανημάτων, προσδιορισμός γωνιακής μετατόπισης διαφόρων τύπων περιστρεφόμενων αντικειμένων - άξονες, τροχοί, μηχανισμοί κιβωτίων ταχυτήτων τόσο σε ακίνητα όσο και σε κινούμενα αντικείμενα.

Οι αισθητήρες χωρητικού επιπέδου χρησιμοποιούνται σε συστήματα ελέγχου, ρύθμισης και διαχείρισης παραγωγικών διαδικασιών στις βιομηχανίες τροφίμων, φαρμακευτικών, χημικών, διύλισης πετρελαίου. Είναι αποτελεσματικά όταν εργάζεστε με υγρά, χύμα υλικά, εναιωρήματα, παχύρρευστες ουσίες (αγώγιμες και μη αγώγιμες), καθώς και σε συνθήκες συμπύκνωσης, σκόνης.

Οι χωρητικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται επίσης σε διάφορες βιομηχανίες για τη μέτρηση της απόλυτης και μετρητικής πίεσης, του πάχους των διηλεκτρικών υλικών, της υγρασίας του αέρα, της καταπόνησης, των γωνιακών και γραμμικών επιταχύνσεων κ.λπ.

Πλεονεκτήματα των χωρητικών αισθητήρων έναντι άλλων τύπων αισθητήρων

Οι χωρητικοί αισθητήρες προσφέρουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τύπους αισθητήρων. Τα πλεονεκτήματά τους περιλαμβάνουν:

• ευκολία παραγωγής, χρήση φθηνών υλικών για παραγωγή. — μικρό μέγεθος και βάρος· — χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. - υψηλή ευαισθησία;

• έλλειψη επαφών (σε ορισμένες περιπτώσεις — ένας συλλέκτης ρεύματος).

• μεγάλη διάρκεια ζωής ·

• την ανάγκη πολύ μικρών δυνάμεων για την κίνηση του κινούμενου τμήματος του χωρητικού αισθητήρα.

• ευκολία προσαρμογής του σχήματος του αισθητήρα σε διαφορετικές εργασίες και σχέδια.

Μειονεκτήματα χωρητικών αισθητήρων

Τα μειονεκτήματα των χωρητικών αισθητήρων περιλαμβάνουν:

• σχετικά μικρός συντελεστής μεταφοράς (μετατροπής).

• υψηλές απαιτήσεις για εξαρτήματα θωράκισης.

• την ανάγκη εργασίας σε υψηλότερη (σε σύγκριση με 50 Hz) συχνότητα.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, μπορεί να επιτευχθεί επαρκής θωράκιση λόγω του σχεδιασμού του αισθητήρα και η πρακτική δείχνει ότι οι χωρητικοί αισθητήρες δίνουν καλά αποτελέσματα στην ευρέως χρησιμοποιούμενη συχνότητα των 400 Hz. Συμφυής πυκνωτές το φαινόμενο της ακμής γίνεται σημαντικό μόνο όταν η απόσταση μεταξύ των πλακών είναι συγκρίσιμη με τις γραμμικές διαστάσεις των υπό εξέταση επιφανειών. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξαλειφθεί σε κάποιο βαθμό μέσω ενός προστατευτικού δακτυλίου, ο οποίος καθιστά δυνατή τη μετατόπιση της επιρροής του πέρα ​​από τα όρια της επιφάνειας των πλακών που χρησιμοποιούνται πραγματικά για μετρήσεις.

Οι χωρητικοί αισθητήρες είναι αξιοσημείωτοι για την απλότητά τους, η οποία επιτρέπει έναν στιβαρό και αξιόπιστο σχεδιασμό. Οι παράμετροι του πυκνωτή εξαρτώνται μόνο από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και δεν εξαρτώνται από τις ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται, εάν αυτά τα υλικά έχουν επιλεγεί σωστά. Ως εκ τούτου, η επίδραση της θερμοκρασίας στις αλλαγές της επιφάνειας και την απόσταση των πλακών μπορεί να είναι αμελητέα μικρή επιλέγοντας την κατάλληλη ποιότητα μετάλλου για τις πλάκες και τη μόνωση για την προσάρτησή τους. Απομένει μόνο η προστασία του αισθητήρα από αυτούς τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που μπορούν να αλλοιώσουν τη μόνωση μεταξύ των πλακών - από σκόνη, διάβρωση, υγρασία, ιονίζουσα ακτινοβολία.

Οι πολύτιμες ιδιότητες των χωρητικών αισθητήρων - μια μικρή ποσότητα μηχανικής δύναμης που απαιτείται για τη μετακίνηση του κινητού τους τμήματος, η δυνατότητα προσαρμογής της εξόδου του συστήματος παρακολούθησης και η υψηλή ακρίβεια λειτουργίας - καθιστούν τους χωρητικούς αισθητήρες απαραίτητους σε συσκευές όπου υπάρχουν σφάλματα μόνο εκατοστών και ακόμη χιλιοστά τοις εκατό επιτρέπονται.

Τύποι χωρητικών μετατροπέων και σχεδιαστικά χαρακτηριστικά τους

Συνήθως, ένας χωρητικός αισθητήρας είναι ένας επίπεδος ή κυλινδρικός πυκνωτής, μία από τις πλάκες του οποίου υφίσταται ελεγχόμενη κίνηση, προκαλώντας αλλαγή στην χωρητικότητα. Παραβλέποντας τα τελικά αποτελέσματα, η χωρητικότητα για έναν επίπεδο πυκνωτή μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

όπου ε Η σχετική διηλεκτρική σταθερά του μέσου που περικλείεται μεταξύ των πλακών, C και e — η περιοχή των εξεταζόμενων πλακών και, κατά συνέπεια, η απόσταση μεταξύ τους.

Οι χωρητικοί μετατροπείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση διαφόρων μεγεθών σε τρεις κατευθύνσεις, ανάλογα με τη λειτουργική σχέση του μετρούμενου μη ηλεκτρικού μεγέθους με τις ακόλουθες παραμέτρους:

• μεταβλητή διηλεκτρική σταθερά του μέσου ε;

• επικαλυπτόμενη περιοχή των πλακών C.

• διαφορετική απόσταση μεταξύ των πλακών e.

Στην πρώτη περίπτωση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρητικοί μετατροπείς για την ανάλυση της σύνθεσης της ουσίας, αφού η διηλεκτρική σταθερά είναι συνάρτηση των ιδιοτήτων της ουσίας. Σε αυτή την περίπτωση, η φυσική τιμή εισόδου του μετατροπέα θα είναι η σύνθεση της ουσίας που γεμίζει το χώρο μεταξύ των πλακών. Οι χωρητικοί μετατροπείς αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα ευρέως για τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε υγρασία στερεών και υγρών, της στάθμης του υγρού, καθώς και για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών διαστάσεων μικρών αντικειμένων. Στις περισσότερες περιπτώσεις πρακτικής χρήσης χωρητικών μορφοτροπέων, η φυσική τιμή εισόδου τους είναι η γεωμετρική μετατόπιση των ηλεκτροδίων μεταξύ τους Βάσει αυτής της αρχής, αισθητήρες γραμμικής και γωνιακής μετατόπισης, συσκευές μέτρησης δυνάμεων, δονήσεων, ταχύτητας και επιτάχυνσης, αισθητήρες για αισθητήρες εγγύτητας, πίεσης και καταπόνησης (εκτενόμετρα).

Ταξινόμηση χωρητικού αισθητήρα

Όσον αφορά την υλοποίηση, όλοι οι χωρητικοί μορφοτροπείς μέτρησης μπορούν να χωριστούν σε αισθητήρες μονής χωρητικότητας και διπλής χωρητικότητας. Τα τελευταία είναι διαφορικά και ημιδιαφορικά.

Ένας αισθητήρας μονής χωρητικότητας είναι απλός στη σχεδίασή του και είναι ένας μόνο μεταβλητός πυκνωτής. Τα μειονεκτήματά του περιλαμβάνουν σημαντική επίδραση εξωτερικών παραγόντων όπως η υγρασία και η θερμοκρασία.Για να αντισταθμίσετε αυτά τα σφάλματα, εφαρμόστε διαφορικά σχέδια... Το μειονέκτημα τέτοιων αισθητήρων σε σύγκριση με αυτούς μιας χωρητικότητας είναι η ανάγκη για τουλάχιστον τρία (αντί για δύο) θωρακισμένα καλώδια σύνδεσης μεταξύ του αισθητήρα και της συσκευής μέτρησης για την καταστολή της που ονομάζονται παρασιτικές χωρητικότητες. Ωστόσο, αυτό το μειονέκτημα πληρώνεται με σημαντική αύξηση της ακρίβειας, της σταθερότητας και της επέκτασης του πεδίου εφαρμογής τέτοιων συσκευών.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δύσκολο να δημιουργηθεί ένας διαφορικός χωρητικός αισθητήρας για λόγους σχεδιασμού (αυτό ισχύει ιδιαίτερα για διαφορικούς αισθητήρες μεταβλητού διακένου). Ωστόσο, εάν ταυτόχρονα τοποθετηθεί ένας υποδειγματικός πυκνωτής στο ίδιο περίβλημα με έναν εργαζόμενο και είναι όσο το δυνατόν πανομοιότυπος ως προς το σχεδιασμό, τις διαστάσεις και τα υλικά που χρησιμοποιούνται, τότε θα είναι πολύ μικρότερη η ευαισθησία ολόκληρης της συσκευής σε εξωτερικές αποσταθεροποιητικές επιδράσεις. εξασφαλισμένη . Σε τέτοιες περιπτώσεις, μπορούμε να μιλήσουμε για έναν ημιδιαφορικό χωρητικό αισθητήρα, ο οποίος, όπως και ο διαφορικός, παραπέμπει σε διχωρητικό.

Η ιδιαιτερότητα της παραμέτρου εξόδου των αισθητήρων δύο όγκων, η οποία αναπαρίσταται ως αδιάστατη αναλογία δισδιάστατων φυσικών μεγεθών (στην περίπτωσή μας, χωρητικότητες), δίνει λόγο να τους ονομάζουμε αισθητήρες αναλογίας. Όταν χρησιμοποιείτε αισθητήρες διπλής χωρητικότητας, η συσκευή μέτρησης μπορεί να μην περιέχει καθόλου τυπικά μέτρα χωρητικότητας, γεγονός που συμβάλλει στην αύξηση της ακρίβειας μέτρησης.

Κωδικοποιητές γραμμικής μετατόπισης

Τα μη ηλεκτρικά μεγέθη προς μέτρηση και έλεγχο είναι πολλά και ποικίλα. Ένα σημαντικό μέρος αυτών είναι γραμμικές και γωνιακές μετατοπίσεις. Με βάση έναν πυκνωτή που ηλεκτρικό πεδίο δύο κύριοι τύποι χωρητικών αισθητήρων μετατόπισης μπορούν να δημιουργηθούν ομοιόμορφα στο κενό εργασίας:

• με μεταβλητή περιοχή ηλεκτροδίων.

• με μεταβλητό διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Είναι προφανές ότι τα πρώτα είναι πιο βολικά για τη μέτρηση μεγάλων μετατοπίσεων (μονάδες, δεκάδες και εκατοντάδες χιλιοστά) και τα δεύτερα για τη μέτρηση μικρών και εξαιρετικά μικρών μετατοπίσεων (τμήματα ενός χιλιοστού, μικρόμετρα και λιγότερο).

Γωνιακοί κωδικοποιητές

Οι χωρητικοί μετατροπείς γωνιακής μετατόπισης είναι κατ' αρχήν παρόμοιοι με τους χωρητικούς μορφοτροπείς γραμμικής μετατόπισης και οι αισθητήρες μεταβλητής περιοχής είναι επίσης πιο κατάλληλοι στην περίπτωση όχι πολύ μικρών περιοχών μέτρησης (ξεκινώντας από μονάδες μοιρών) και χωρητικών αισθητήρων μεταβλητής γωνίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη μέτρηση μικρών και εξαιρετικά μικρών γωνιακών μετατοπίσεων. Συνήθως, μορφοτροπείς πολλαπλών τμημάτων με μεταβλητή επιφάνεια πλάκας πυκνωτή χρησιμοποιούνται για γωνιακές μετατοπίσεις.

Σε τέτοιους αισθητήρες, ένα από τα ηλεκτρόδια πυκνωτών είναι προσαρτημένο στον άξονα του αντικειμένου και κατά την περιστροφή μετατοπίζεται σε σχέση με το σταθερό, αλλάζοντας την περιοχή επικάλυψης των πλακών πυκνωτή. Αυτό, με τη σειρά του, προκαλεί μια αλλαγή στην χωρητικότητα που συλλαμβάνεται από το κύκλωμα μέτρησης.

Κλισιόμετρα

Το κλισιόμετρο (αισθητήρας κλίσης) είναι ένας διαφορικός χωρητικός μετατροπέας κλίσης που περιλαμβάνει ένα αισθητήριο στοιχείο σε σχήμα κάψουλας.

Χωρητικό κλισιόμετρο

Η κάψουλα αποτελείται από ένα υπόστρωμα με δύο επίπεδα ηλεκτρόδια 1, καλυμμένα με ένα μονωτικό στρώμα, και ένα σώμα 2, ερμητικά στερεωμένο στο υπόστρωμα. Η εσωτερική κοιλότητα του σώματος είναι μερικώς γεμάτη με ένα αγώγιμο υγρό 3, το οποίο είναι το κοινό ηλεκτρόδιο του ένα ευαίσθητο στοιχείο.Το κοινό ηλεκτρόδιο σχηματίζει έναν διαφορικό πυκνωτή με τα επίπεδα ηλεκτρόδια. Το σήμα εξόδου του αισθητήρα είναι ανάλογο με την τιμή της χωρητικότητας του διαφορικού πυκνωτή, η οποία εξαρτάται γραμμικά από τη θέση του περιβλήματος στο κατακόρυφο επίπεδο.

Το κλίσιόμετρο έχει σχεδιαστεί για να έχει γραμμική εξάρτηση του σήματος εξόδου από τη γωνία κλίσης σε ένα λεγόμενο επίπεδο εργασίας και πρακτικά δεν αλλάζει τις ενδείξεις στο άλλο (μη λειτουργικό) επίπεδο, ενώ το σήμα του εξαρτάται ασθενώς από τη θερμοκρασία αλλαγές. Για τον προσδιορισμό της θέσης του επιπέδου στο διάστημα, χρησιμοποιούνται δύο κλισόμετρα, που βρίσκονται σε γωνία 90 ° μεταξύ τους.

Τα μικρού μεγέθους κλισόμετρα με ηλεκτρικό σήμα εξόδου ανάλογο με τη γωνία κλίσης του αισθητήρα είναι σχετικά νέες συσκευές. Η υψηλή τους ακρίβεια, το μικροσκοπικό μέγεθος, η έλλειψη κινητών μηχανικών μονάδων, η ευκολία εγκατάστασης στο χώρο και το χαμηλό κόστος καθιστούν σκόπιμο τη χρήση τους όχι μόνο ως αισθητήρες κυλίνδρων, αλλά και για την αντικατάσταση αισθητήρων γωνίας με αυτούς, όχι μόνο σταθερούς αλλά και κινούμενους. αντικείμενα.

Χωρητικοί αισθητήρες στάθμης υγρού

Ένας χωρητικός πομπός για τη μέτρηση της στάθμης ενός μη αγώγιμου υγρού αποτελείται από δύο πυκνωτές συνδεδεμένους παράλληλα

Αισθητήρες πίεσης

Ένα από τα βασικά σχέδια ενός χωρητικού μετατροπέα πίεσης είναι ένας απλός στάτορας, ο οποίος χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόλυτης πίεσης (αισθητήρες ηλεκτρικής πίεσης).

Ένας τέτοιος αισθητήρας αποτελείται από ένα μεταλλικό στοιχείο που χωρίζεται σε δύο μέρη από ένα σφιχτά τεντωμένο επίπεδο μεταλλικό διάφραγμα, στη μία πλευρά του οποίου υπάρχει ένα σταθερό ηλεκτρόδιο απομονωμένο από το σώμα.Το ηλεκτρόδιο του διαφράγματος σχηματίζει μια μεταβλητή χωρητικότητα, η οποία περιλαμβάνεται στο κύκλωμα μέτρησης. Όταν η πίεση είναι ίση και στις δύο πλευρές του διαφράγματος, ο μορφοτροπέας ισορροπεί. Μια αλλαγή στην πίεση σε έναν από τους θαλάμους παραμορφώνει το διάφραγμα και αλλάζει την χωρητικότητα, η οποία καθορίζεται από το κύκλωμα μέτρησης.

Σε ένα σχέδιο δύο σταθμών (διαφορικό), το διάφραγμα κινείται μεταξύ δύο σταθερών πλακών και μια πίεση αναφοράς παρέχεται σε έναν από τους δύο θαλάμους, η οποία παρέχει μια άμεση μέτρηση της διαφορικής (υπέρβασης ή διαφορικής) πίεσης με το μικρότερο σφάλμα.