Емкостные датчики – принцип работы, применение и недостатки

Содержание:

• Что такое емкостный датчик
• Принцип работы емкостных датчиков
• Как работает емкостной датчик
• Схема подключения ёмкостного датчика
• Виды датчиков
• Области применения
• Достоинства емкостных датчиков
• Недостатки использования емкостных датчиков
• Особенности применения емкостных датчиков

Современная промышленность предъявляет высокие требования к точности и надежности технологических процессов. Специальные устройства контролируют параметры продукции с различных направлений. Работа емкостных датчиков основана на зависимости значений емкостного сопротивления от величины контролируемого показателя, что позволяет решать множество задач по управлению производством.

Что такое емкостный датчик

Емкостный датчик является бесконтактным измерительным прибором, который срабатывает на приближение определенного объекта. Емкостный датчик одинаково хорошо улавливает металлические и диэлектрические объекты. Его отличительная особенность состоит в реакции на изменение электрических свойств окружающей среды рядом с анализируемым предметом.

Принцип работы емкостных датчиков

Емкостный датчик работает на принципе изменения значения электрической емкости в поле между электродом и измеряемой средой. Основная часть датчика — плоский или цилиндрический конденсатор. Одна пластина находится в постоянном движении, что приводит к смене параметров диэлектрика.

Емкостные датчики надежно работают с материалами, которые не контролируются обычными индуктивными датчиками. Это различные неметаллические предметы и жидкости:

• вода;
• кислоты и щелочи;
• масла;
• дерево и бумага;
• сыпучие и гранулированные вещества;
• стекло, керамика, пластик.

Датчики способны работать на больших расстояниях и контролировать агрессивные среды дистанционно через стенки резервуаров.

Как работает емкостной датчик

Емкостный датчик устроен как сочетание конденсатора с важными дополнительными элементами:

• чувствительные электроды;
• генератор для создания электрического поля;
• демодулятор считывает колебания генератора;
• усилитель доводит сигнал до необходимой величины;
• регулятор настраивает нужную чувствительность;
• компаунд защищает от внешних помех;
• преобразователь создает выходной сигнал.

Описание работы емкостного датчика состоит из последовательности ряда этапов:

1. Создание электрического поля высокой частоты.
2. Установка необходимой величины сигнала.
3. Изменение емкости датчика при появлении объекта или изменении свойств среды.
4. Фиксация новых колебаний генератора и преобразование их на выходной электрический индикатор.

Схема подключения ёмкостного датчика

Емкостные датчики в зависимости от своих характеристик могут подключаться по разным схемам.

Двухпроводная схема подходит для простых систем измерения и включает провод для питания и провод для сигнала. Может использоваться для переменного и постоянного тока, требует дополнительной защиты от короткого замыкания.

В трехпроводной схеме емкостного датчика к питанию и выходу дополнительно добавляется выход на землю.

Дифференциальная схема подходит для датчиков, которые измеряют емкость между двумя конденсаторами. Этот подход повышает точность получаемых значений и создает устойчивость к помехам.

Рекомендации по подключению емкостных датчиков:

• используйте кабели и разъемы нужного сечения;
• проверяйте полярность;
• держите в чистоте измерительные элементы;
• обеспечьте пространство вокруг поверхности датчика;
• учитывайте требования к влажности и температуре.

Виды датчиков

Емкостные датчики выполняют широкий спектр задач и классифицируются по нескольким направлениям.

1. Измерительная схема

• Одноемкостные датчики относятся к самой простой конструкции, состоящей из конденсатора, восприимчивого к внешним воздействиям. Такой прибор очень чувствителен к колебаниям температуры, влажности, загрязненности воздуха.
• Двухъемкостные устройства включают два конденсатора и делятся на два подвида: дифференциальный преобразователь, который обладает отличной защитой от помех, стабильно работает с высокой точностью, и полудиффренциальный датчик, применяемый при невозможности установки моделей первого типа.

2. Измеряемая величина

• Датчики линейных перемещений предназначены для измерения передвижения объекта по одной линии. Расстояние рассчитывается исходя из изменения положений пластин конденсатора. Датчики с переменной площадью электродов применяются для контроля перемещений на большие расстояния, а датчики с переменным размером между электродами более востребованы для измерения долей миллиметра и менее.
• Датчики угловых перемещений используются для определения угла поворота. Один электрод крепится неподвижно, а второй находится на валу и за время смещения перекрывает разную площадь конденсатора. Расчет смещения происходит аналогично линейным перемещениям на основе изменения данных об емкости устройства.

• Инклинометры служат для мониторинга крена или наклона объекта. В этом датчике основной деталью служит капсула с проводящей жидкостью, установленная над электродами. Изменение уровня жидкости в зависимости от угла наклона приводит к колебаниям емкости, которые преобразуются в выходной сигнал датчика.
  Инклинометры работают с исключительной точностью, имеют компактные размеры, сочетают качество и функциональность. Низкая стоимость и простота установки в некоторых случаях приводит к замене угловых датчиков на инклинометры, которые отлично функционируют на подвижных и стационарных поверхностях.
• Датчики уровня отлично зарекомендовали себя для измерения количества жидкостей и сыпучих фракций в любых емкостях. Устойчивы к пыли и конденсату, контролируют заполнение резервуаров любыми технологическими субстанциями.

• Емкостные датчики давления имеют в конструкции диафрагму, реагирующую на колебания давления, которое, в свою очередь, меняет емкость прибора. Отличаются способностью измерять с минимальными погрешностями все виды давления: избыточное, абсолютное и дифференциальное.

Области применения

Надежные и универсальные емкостные датчики успешно работают в разных сферах. Устройства способны непрерывно измерять показатели производственного процесса, а также передавать данные о местоположении деталей и механизмов, заполнении емкостей, контролировать вибрацию и наклон.

• Проверяют положение предметов на автоматизированных линиях и конвейерах.
• Следят за уровнем жидкостей, порошков, сыпучих материалов.
• Обнаруживают появление и приближение объектов.
• Производят подсчет и наличие продукции.
• Работают через стенки резервуаров.
• Измеряют угловые и линейные перемещения деталей в машиностроении.
• Контролируют позиции механизмов станков.
• Определяют положение горизонтальных платформ, угол наклона мостов, изгиб перекрытий.
• Проводят мониторинг смещения вращающихся колес и валов.
• Измеряют давление жидкостей и газов в реальном времени.
• Входят в состав сенсорных экранов и других сенсорных элементов управления.

Достоинства емкостных датчиков

Широкое применение емкостных датчиков обусловлено целым рядом преимуществ:

• Компактные габариты и малый вес
• Малое энергопотребление
• Отсутствие движущихся частей
• Высокая надежность
• Долговечность
• Чувствительность к большому спектру материалов
• Бесконтактное измерение
• Способность адаптировать форму рабочей поверхности
• Простота установки и обслуживания
• Работа в сложных условиях высокой температуры и запыленности

Недостатки использования емкостных датчиков

В работе емкостных датчиков есть некоторые минусы:

• Сложности работы с пенообразующими, вязкими и кристаллизирующимися жидкостями.
• Необходимость настройки датчика на конкретном месте и под конкретный продукт.
• Высокие требования к защите от электромагнитного влияния.
• Обязательная калибровка на пустом резервуаре.
• Невозможность измерять вещества с диэлектрической способностью, зависящей от колебаний температуры.
• Слишком малое изменение емкости для решения некоторых задач.

Особенности применения емкостных датчиков

Простота конструкции емкостных датчиков не исключает наличия важных особенностей, влияющих на их правильную работу.

Высокое выходное сопротивление влияет на качество обработки итогового сигнала. Необходимо следить за чистотой поверхности электронного блока и защищать прибор от влажности.

Из этого же качества вытекает необходимость экранирования от электромагнитных помех, которые быстро улавливаются датчиком. При анализе показателей в некоторых случаях потребуется применить методы усреднения и фильтрации ложных значений.

Обкладки датчика не только принимают лишние сигналы, но и сами работают как антенны на излучение помех. Для снижения лишнего шума следует принимать меры по уменьшению амплитуды и скорости изменения напряжения.