Емкостные датчики. Виды и устройство. Работа и применение

Емкостные датчики – преобразователи параметров. Их работа заключается в изменении емкостного сопротивления путем изменения измеряемого параметра. Емкостный датчик преобразовывает такие величины, как влажность, давление, сила механического воздействия, уровень жидкости в изменение электрической емкости.

Классификация

По исполнению датчики делятся на:

• Одноемкостные.
• Двухъемкостные.

Одноемкостнй датчик имеет простое устройство и выполнена в виде конденсатора с изменяемой емкостью. Его недостатком является большое влияние внешних воздействий. К ним относятся температура и влажность. Чтобы компенсировать такие неточности, применяют дифференциальные двухъемкостные модели.

В отличие от одноемкостных датчиков, минусом дифференциальных моделей является то, что требуется минимум три соединительных экранированных проводника между измерительным устройством и датчиком, для погашения паразитных емкостей. Однако это компенсируется стабильностью, значительным увеличением точности и расширением сферы использования таких датчиков.

Иногда трудно спроектировать дифференциальный датчик емкостного типа из соображений его устройства. Особенно, если это датчик с изменяемым зазором. Но при расположении образцового конденсатора вместе с рабочим, и выполнении их конструкции одинаковыми, включая все материалы, то будет создана намного меньшая чувствительность устройства к наружному воздействию различных факторов. В этих случаях идет речь о полудифференциальной модели, относящейся к 2-х емкостным приборам.

Специфическая особенность параметра выхода двухъемкостных датчиков, представленная в виде безразмерного соотношения 2-х емкостей, позволяет назвать такие устройства датчиками отношения.

Линейные датчики

Неэлектрические параметры, которые требуется измерять на практике, очень разнообразны и многочисленны. На базе конденсатора, у которого равномерно распределено электрическое поле в рабочем промежутке, создаются устройства емкостных датчиков перемещения следующих видов:

• С изменяемой площадью электродов.
• С изменяемым промежутком между обкладками.

Датчики с переменной площадью удобнее для контроля значительных перемещений, а датчики с изменяемым промежутком удобнее для контроля незначительных перемещений.

Датчики угловых перемещений имеют принцип работы, аналогичный линейным датчикам. При этом эти датчики также рекомендуются для малых интервалов перемещений угла. Для таких целей часто используют в эксплуатации многосекционные модели с изменяемой площадью пластин.

Подобные датчики имеют крепление одного электрода на валу контролируемого объекта. При угловом смещении вала изменяется площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению емкости. Это изменение обрабатывается электронной схемой.

Инклинометры

Другими словами такое устройство называют датчиком крена. Они получили название инклинометров, выполнены в виде дифференциального емкостного датчика наклона. Эта конструкция имеет чувствительный компонент в виде капсулы.

Чувствительная капсула включает в себя подложку с планарными электродами (1), которые покрыты диэлектрическим слоем, а также корпус (2), герметично зафиксированный на подложке. Частично внутренняя часть корпуса заполнена токопроводящей жидкостью (3). Она является общим выводом чувствительного компонента.

Общий электрод создает с электродами своеобразный дифференциальный конденсатор. Сигнал выхода датчика прямо зависит от размера емкости, которая зависит от расположения корпуса.

Инклинометр сконструирован с линейной зависимостью сигнала выхода от угла наклона в рабочей плоскости и не меняет значения в нерабочей плоскости. В этом случае сигнал имеет незначительную зависимость от изменения температуры. Чтобы определить расположение плоскости применяется два инклинометра, находящихся между собой под прямым углом.

Инклинометры небольшого размера с сигналом, зависящим от угла наклона датчика, нашли применение совсем недавно. Они имеют высокую точность, малые габариты, у них нет движущихся деталей. Стоимость их также невысока. Все эти достоинства позволяют рекомендовать их для применения датчиками наклона, а также для замены угловых датчиков, в том числе и на движущихся объектах.

Датчики уровня токонепроводящих веществ, находящихся в жидком состоянии, представляют собой схему из двух соединенных параллельно емкостей. Они стали популярными в различных отраслях, системах проверки, при работе с сыпучими и вязкими материалами, в условиях конденсата.

Датчики давления

Конструкция таких датчиков отличается устройством преобразователя. Он выполнен в виде воздушного конденсатора. Одна его пластина является неподвижной, а вторая передвигается под воздействием упругого преобразователя.

Устройство и работа

1 — Корпус датчика обеспечивает возможность установки выключателя, защиту от внешних воздействий различных факторов. Материалом корпуса обычно является полиамид или латунь. В комплект входят крепежные изделия.
2 — Компаунд, состоящей из специальной смолы, создает защиту элементов датчика от попадания влаги и других посторонних веществ.
3 — Триггер создает необходимую крутизну сигнала коммутации и величину гистерезиса.
4 — Подстроечный элемент.
5 — Светодиод обеспечивает оперативность настройки, показывает положение выключателя.
6 — Усилитель повышает сигнал выхода до требуемой величины.
7 — Демодулятор модифицирует изменение колебаний высокой частоты в изменение напряжения.
8 — Генератор создает электрическое поле для воздействия на объект.
9 — Электроды.

Рабочая поверхность датчика выполнена в виде двух металлических электродов. Они играют роль обкладок конденсатора, которые подключены в цепь обратной связи автогенератора высокой частоты. Генератор настроен на приближение объекта к активной поверхности.

При приближении контрольного объекта он меняет емкость, вследствие чего генератор вступает в работу и образует колебания с увеличивающейся амплитудой по приближению к объекту. Повышение амплитуды обрабатывается электронной схемой, которая создает сигнал выхода.

Емкостные датчики приводятся в действие от электропроводных объектов и диэлектриков. При приближении токопроводящих объектов расстояние срабатывания Sr значительно больше, чем при воздействии диэлектриков. Расстояние срабатывания снижается, и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика Er.

Особенности конструкции

Чаще всего емкостные датчики выполняются в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Подвергаемое контролю перемещение испытывает одна обкладка. При этом она создает изменение емкости, которая выражается:

где ε является диэлектрической проницаемостью материала, d – зазор, S – площадь пластин.

Емкостные датчики способны работать при замере разных параметров по трем направлениям, зависящим от связи контролируемой величины с параметрами:

• Переменным расстоянием между пластинами.
• Площадью перекрытия пластин.
• Изменяемой диэлектрической проницаемости материала.

В случае с диэлектрической проницаемостью входным параметром будет состав, который заполняет объем между обкладками. Такие емкостные датчики стали популярными при контроле размеров малых объектов, влажности тел.

Достоинства

Емкостные датчики имеют множество преимуществ в отличие от других видов. К ним можно отнести:

• Форма датчика легко совмещается с разными конструкциями и поставленными задачами.
• Не требуется больших усилий для передвижения чувствительного компонента.
• Длительная эксплуатация.
• Отсутствие подвижных контактов.
• Повышенная чувствительность.
• Малый расход электроэнергии.
• Небольшие габаритные размеры и масса.
• Технологичность при изготовлении, применение дешевых материалов и веществ.

Емкостные датчики славятся своей простой конструкцией, что дает возможность создания надежных и прочных устройств. Свойства конденсатора зависят всего лишь от геометрических параметров, и не имеют зависимости от свойств применяемых материалов, при условии их правильного подбора. Поэтому при проектировании пренебрегают влиянием температуры на площадь поверхности и размера между пластинами, при правильном выборе изоляции и металла.

Недостатки

• Работа на высокой частоте.
• Повышенные требования к экранированию элементов.
• Малый коэффициент преобразования.

При использовании емкостных датчиков необходимо обеспечивать защиту от ложных сработок. Они возникают из-за случайного касания работника, атмосферными осадками, различными жидкостями.

Применение

Емкостные датчики используются в разных сферах производства и деятельности человека. Они применяются в управлении технологическими процессами и системах регулировки во всех промышленных производствах. Сегодня наиболее популярными датчиками стали датчики присутствия, которые являются надежными конструкциями. Они имеют невысокую цену, и широкий спектр направлений по использованию.

Основными областями применения датчиков стали:

• Подсчет штучного товара.
• Регулировка натяжения конвейера.
• Сигнализация обрыва проводника при намотке.
• Контроль наполнения упаковки.
• Сигнализация при заполнении стеклянных и пластиковых сосудов.

Похожие темы:

Емкостные бесконтактные датчики — Глоссарий — База знаний

Принцип работы емкостных датчиков

Чувствительная поверхность емкостного датчика образуется двумя концентрически расположенными металлическими электродами. Их поверхности А и В расположены в цепи обратной связи высокочастотного генератора, который настроен таким образом, что он не генерирует при отсутствии объекта детектирования. Если объект приближается к чувствительной поверхности датчика, то он попадает в электрическое поле перед поверхностями электродов и способствует повышению емкости связи между пластинами А и В. При этом амплитуда генератора начинает возрастать. Амплитуда колебаний регистрируется оценочной схемой и преобразуется в команду включения.

Емкостные датчики обнаруживают как металлические, так и диэлектрические объекты. Металлы из-за их очень высокой проводимости наиболее сильно воздействуют на емкостные датчики. Редукционные факторы для различных металлов можно не учитывать.

Если между пластинами конденсатора расположить изолятор, то емкость конденсатора повышается в зависимости от его диэлектрической постоянной. Объекты из неметаллов действуют на чувствительную поверхность таким же образом, как и металлические, при этом емкость связи повышается. При обнаружении органических материалов (древесина, зерно и т.д.) нужно обращать внимание на то, что содержание в них воды очень сильно влияет на расстояние срабатывания (ε_воды=80).

Диэлектрические постоянные некоторых материалов даны в таблице

Материал	εr	Материал	εr	Материал	εr	Материал	εr
Бумага	2,3	Мрамор	8	Полистирол	3	Стекло кварц.	3,7
Бумага промасл.	4	Нефть	2,2	Полиэтилен	2,3	Стекло огранич.	3,2
Вода	80	Парафин	2,2	Резина	2,5	Тальк	1,6
Воздух, вакуум	1	Песок	3,7	Резина селикон.	2,8	Тефлон	2
Гетинакс	4,5	Песок кварц.	4,5	Слюда	6	Фарфор	4,4
Дерево	2…7	Полиамид	5	Смолы	3,6	Целлулоид	3
Керосин	2,2	Поливинилхлорид	2,9	Спирт этиловый	25,8	Эбонит	4
Компаунд	2,5	Полипропилен	2,3	Стекло	5	Электрокартон	4

Для определения рабочего зазора используются следующие поправочные коэффициенты: металл — 1,0; вода — 1,0; стекло — 0,5; дерево — 0,2…0,7; масло — 0,1.

Емкостные датчики работают в температурном диапазоне от -250 до +750С.

Если металлический объект связан с потенциалом земли, то происходит незначительное увеличение расстояния срабатывания. (⩽0,25_ном).

Это воздействие при необходимости можно скомпенсировать с помощью потенциометра.

Основная настройка, указания по регулировке

Ограничения в размещении емкостных датчиков

Большинство емкостных датчиков имеют встроенный потенциометр для регулировки чувствительности. Для работы производится основная настройка на зазор 0,7…0,85

ном. Регулировку производят, используя квадратную металлическую пластину со сторонами 35_ном.

В сомнительных случаях рекомендуется сделать контрольный замер с помощью заземленного стандартного элемента воздействия. Настройки на зазор до 1,55_ном являются некритичными для работы датчика.

Примечание: При настройке S_r⩾S_ном может значительно возрасти гистерезис датчика.

Схема подключения емкостных датчиков

Полезные ссылки

бесконтактные датчики, Устройство и принцип работы емкостного датчика

В основе принципа работы емкостного датчика лежит изменение емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле какого-либо материала.

Устройство емкостного датчика общего применения показано на рисунке ниже:

Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.

Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.

Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.

Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.

Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)

Индикатор — обычно светодиодный обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.

Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.

Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.

Принцип работы

При подаче напряжения питания, перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает электрическое поле. Данное поле так же считается зоной чувствительности емкостного датчика. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает.

 

 

 

 

При попадании какого-либо материала в поле конденсатора с большей диэлектрической проницаемостью, увеличивается емкость конденсатора. В генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика.

Подбор по параметрам. Емкостные бесконтактные датчики. — ЗАО «Сенсор»

ВБЕ-М30-73Р-1111-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО замыкающий	Типовое исполн.	М30х87
ВБЕ-М30-73Р-1113-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х87
ВБЕ-М30-73Р-1123-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х87
ВБЕ-М30-73С-1111-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО замыкающий	Типовое исполн.	М30х82
ВБЕ-М30-73С-1113-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х82
ВБЕ-М30-73С-1123-СА	10-30 В DC	10 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х82
ВБЕ-М30-85Р-2111-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО замыкающий	Типовое исполн.	М30х99
ВБЕ-М30-85Р-2113-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х99
ВБЕ-М30-85Р-2123-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х99
ВБЕ-М30-85С-2111-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО замыкающий	Типовое исполн.	М30х95
ВБЕ-М30-85С-2113-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х95
ВБЕ-М30-85С-2123-СА	10-30 В DC	20 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М30х95
ВБЕ-Ф60-40У-2111-ЗА	10-30 В DC	40 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО замыкающий	Типовое исполн.	40х60х69
ВБЕ-Ф60-40У-2113-ЗА	10-30 В DC	40 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	40х60х69
ВБЕ-Ф60-40У-2123-ЗА	10-30 В DC	40 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	40х60х69
ВБЕ-Ф60-40У-2241-ЛА	100-250 В AC	40 мм для ВБЕ	Двухпров. AC	НО замыкающий	Типовое исполн.	40х60х69
ВБЕ-Ф60-40У-2242-ЛА	100-250 В AC	40 мм для ВБЕ	Двухпров. AC	НЗ размыкающий	Типовое исполн.	40х60х69
ВБЕ-Ц18-82В-2113-ЗА	10-30 В DC	от 5 до 8 мм для ВБЕ	PNP общий (-)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М18х96
ВБЕ-Ц18-82В-2123-ЗА	10-30 В DC	от 5 до 8 мм для ВБЕ	NPN общий (+)	НО и НЗ	Типовое исполн.	М18х96
ВБЕ-Ц18-82В-2241-ЛА	100-250 В AC	от 5 до 8 мм для ВБЕ	Двухпров. AC	НО замыкающий	Типовое исполн.	М18х96

Емкостные датчики

Емкостной датчик — применение, назначение, устройство

 

    Емкостной датчик — это активное техническое устройство, которое способно обнаруживать жидкости, пластмассу, бумагу, сыпучие материалы. Внутри емкостного датчика находится высокочастотный генератор, к которому подключена пластина — обкладка конденсатора (отсюда и название). При помещении объекта в электрическое поле датчика перед обкладкой изменяется емкость конденсатора и, соответственно, параметры ВЧ колебаний генератора, что обрабатывается внутренней схемой. В емкостном бесконтактном выключателе при приближении объекта к чувствительной поверхности происходит срабатывание датчика, и выходное состояние изменяется скачком. В качестве коммутирующего элемента применяют полупроводники, что способствует надежному срабатыванию и исключает “дребезг”. Различают датчики на включение (NO) и выключение (NC) нагрузки.

 

    Электрическая часть датчика помещена в металлический цилиндрический корпус с наружной резьбой и залита для герметичности компаундом. Цилиндрический емкостной датчик крепится в отверстии в монтажной панели или вворачивается в основание. Выпускаются датчики монтируемые заподлицо (утопленного исполнения) и не заподлицо (неутопленного исполнения). Все емкостные датчики Impuls имеют подсоединенный гибкий кабель для подключения питания и нагрузки. Материалы на которые реагирует датчик могут иметь различную диэлектрическую проницаемость, для компенсации изменений имеется регулятор чувствительности.

 

Свойства емкостных выключателей:

 

•   герметичность
•   надежность и долговечность, т.к. рабочая поверхность выключателя не контактирует с объектом
•   компактность и небольшая масса
•   бесконтактные выключатели не оказывают на объекты обратного воздействия
•   светодиодная индикация срабатывания
•   высокая степень защиты

 

В нашем интернет-магазине имеются все виды бесконтактных выключателей, которые перечислены на этой странице. При необходимости поможем вам определиться с моделью и подберем устройство. Вся продукция имеется на собственном складе.

 

Прайс-листы