Capacitieve sensoren

Een capacitieve sensor wordt een transducer van het parametrische type genoemd, waarbij een verandering in de gemeten waarde wordt omgezet in een verandering in de capaciteit.

Capacitieve sensortoepassingen

De mogelijke toepassingen van capacitieve sensoren zijn zeer divers. Ze worden gebruikt in industriële procesregel- en controlesystemen in bijna alle industrieën. Capacitieve sensoren worden gebruikt om het vullen van tanks met vloeibare, poedervormige of korrelige stoffen te regelen, zoals eindschakelaars op geautomatiseerde lijnen, transportbanden, robots, bewerkingscentra, metaalsnijmachines, in signaalsystemen, voor het positioneren van verschillende mechanismen, enz.

Momenteel zijn nabijheidssensoren (aanwezigheidssensoren) de meest voorkomende, die naast hun betrouwbaarheid ook een breed scala aan voordelen hebben. Met relatief lage kosten bestrijken naderingssensoren een breed scala aan directionaliteit in hun toepassing in alle industrieën. Typische toepassingsgebieden voor capacitieve sensoren van dit type zijn:

• signalering voor het vullen van plastic of glazen containers;

• controle van het vulniveau van transparante verpakkingen;

• spoelbreuk alarm;

• aanpassing van de riemspanning;

• gedeeltelijke rekening van welke aard dan ook, enz.

Capacitieve lineaire en hoek-encoders zijn de meest voorkomende apparaten, die veel worden gebruikt in engineering en transport, bouw en energie, in verschillende meetcomplexen.

Relatief nieuwe apparaten die de afgelopen jaren wijdverspreid industrieel zijn gebruikt, zijn kleine capacitieve inclinometers geworden met een elektrisch uitgangssignaal dat evenredig is met de hellingshoek van de sensor.... De volgende toepassingsgebieden van hellingmeters kunnen als de belangrijkste worden beschouwd: gebruik in platformnivelleringssystemen, bepaling van afwijkingen en vervormingen van verschillende soorten steunen en balken, regeling van hellingshoeken van wegen en spoorwegen tijdens hun constructie, reparatie en gebruik, het bepalen van de rol van auto's, schepen en onderwaterrobots, takels en kranen, graafmachines, landbouwmachines, het bepalen van de hoekverplaatsing van verschillende soorten roterende objecten - assen, wielen, versnellingsbakmechanismen op zowel stationaire als bewegende objecten.

Capacitieve niveausensoren worden gebruikt in controlesystemen, regulering en beheer van productieprocessen in de voedingsmiddelen-, farmaceutische, chemische en olieraffinage-industrie. Ze zijn effectief bij het werken met vloeistoffen, bulkmaterialen, suspensies, stroperige stoffen (geleidend en niet-geleidend), evenals in omstandigheden van condensatie, stoffigheid.

Capacitieve sensoren worden ook in verschillende industrieën gebruikt voor het meten van absolute en overdruk, dikte van diëlektrische materialen, luchtvochtigheid, rek, hoek- en lineaire versnellingen, enz.

Voordelen van capacitieve sensoren ten opzichte van andere typen sensoren

Capacitieve sensoren bieden een aantal voordelen ten opzichte van andere sensortypes. Hun voordelen omvatten:

• gemak van productie, gebruik van goedkope materialen voor productie; — klein formaat en gewicht; — laag energieverbruik; - hoge gevoeligheid;

• gebrek aan contacten (in sommige gevallen - één stroomafnemer);

• lange levensduur;

• de noodzaak van zeer kleine krachten om het bewegende deel van de capacitieve sensor te verplaatsen;

• gemak om de vorm van de sensor aan te passen aan verschillende taken en ontwerpen;

Nadelen van capacitieve sensoren

Nadelen van capacitieve sensoren zijn onder meer:

• relatief kleine overdrachtscoëfficiënt (omrekeningscoëfficiënt);

• hoge eisen aan afschermingsonderdelen;

• de noodzaak om op een hogere (vergeleken met 50 Hz) frequentie te werken;

Door het ontwerp van de sensor is in de meeste gevallen echter voldoende afscherming te realiseren en de praktijk leert dat capacitieve sensoren bij de veelgebruikte frequentie van 400 Hz goede resultaten geven. Inherent condensatoren het randeffect wordt pas significant als de afstand tussen de platen vergelijkbaar is met de lineaire afmetingen van de beschouwde oppervlakken. Dit effect kan tot op zekere hoogte worden geëlimineerd door middel van een beschermende ring, die het mogelijk maakt om de invloed ervan te verschuiven buiten de grenzen van het oppervlak van de platen die daadwerkelijk voor metingen worden gebruikt.

Capacitieve sensoren vallen op door hun eenvoud, wat een robuust en betrouwbaar ontwerp mogelijk maakt. De parameters van de condensator zijn alleen afhankelijk van de geometrische kenmerken en zijn niet afhankelijk van de eigenschappen van de gebruikte materialen, als deze materialen correct zijn geselecteerd. Daarom kan het effect van temperatuur op oppervlakteveranderingen en plaatafstand verwaarloosbaar klein zijn door de juiste kwaliteit metaal voor de platen en de isolatie voor hun bevestiging te kiezen. Het blijft alleen om de sensor te beschermen tegen die omgevingsfactoren die de isolatie tussen de platen kunnen verslechteren - tegen stof, corrosie, vochtigheid, ioniserende straling.

De waardevolle eigenschappen van capacitieve sensoren - een kleine hoeveelheid mechanische kracht die nodig is om het beweegbare deel te verplaatsen, de mogelijkheid om de uitvoer van het volgsysteem aan te passen en een hoge nauwkeurigheid van de werking - maken capacitieve sensoren onmisbaar in apparaten waar fouten van slechts honderdsten of zelfs duizendste procent is toegestaan.

Soorten capacitieve converters en hun ontwerpkenmerken

Meestal is een capacitieve sensor een platte of cilindrische condensator, waarvan een van de platen een gecontroleerde beweging ondergaat, waardoor een capaciteitsverandering optreedt. Als we de eindeffecten verwaarlozen, kan de capaciteit voor een platte condensator als volgt worden uitgedrukt:

waar ε De relatieve diëlektrische constante van het medium ingesloten tussen de platen, C en e — het gebied van de beschouwde platen en dienovereenkomstig de afstand daartussen.

Capacitieve transducers kunnen worden gebruikt om verschillende grootheden in drie richtingen te meten, afhankelijk van de functionele relatie van de gemeten niet-elektrische grootheid met de volgende parameters:

• variabele diëlektrische constante van het medium ε;

• overlappend gebied van platen C;

• verschillende afstand tussen de platen e.

In het eerste geval kunnen capacitieve transducers worden gebruikt om de samenstelling van de stof te analyseren, aangezien de diëlektrische constante een functie is van de eigenschappen van de stof. In dit geval is de natuurlijke inputwaarde van de converter de samenstelling van de substantie die de ruimte tussen de platen vult. Capacitieve transducers van dit type worden vooral veel gebruikt bij het meten van het vochtgehalte van vaste stoffen en vloeistoffen, het vloeistofniveau, evenals bij het bepalen van de geometrische afmetingen van kleine objecten. In de meeste gevallen van praktisch gebruik van capacitieve transducers is hun natuurlijke invoerwaarde de geometrische verplaatsing van de elektroden ten opzichte van elkaar.Op basis van dit principe zijn lineaire en hoekverplaatsingssensoren, apparaten voor het meten van krachten, trillingen, snelheid en versnelling, sensoren voor nabijheids-, druk- en reksensoren (extensometers).

Classificatie van capacitieve sensor

Alle capacitieve meetomvormers kunnen qua uitvoering worden onderverdeeld in enkelcapacitieve en dubbelcapacitieve sensoren. De laatste zijn differentieel en semi-differentieel.

Een enkele capaciteitssensor is eenvoudig van ontwerp en is een enkele variabele condensator. De nadelen zijn onder meer de aanzienlijke invloed van externe factoren zoals vochtigheid en temperatuur.Pas differentiële ontwerpen toe om deze fouten te compenseren... Het nadeel van dergelijke sensoren ten opzichte van enkelvoudige capaciteiten is de noodzaak van ten minste drie (in plaats van twee) afgeschermde verbindingsdraden tussen de sensor en het meetapparaat om de zo- parasitaire capaciteiten genoemd. Dit nadeel wordt echter beloond met een aanzienlijke toename in nauwkeurigheid, stabiliteit en uitbreiding van het toepassingsgebied van dergelijke apparaten.

In sommige gevallen is het om ontwerpredenen moeilijk om een ​​differentiële capacitieve sensor te maken (dit geldt met name voor differentiële sensoren met variabele spleet). Als echter tegelijkertijd een voorbeeldcondensator in dezelfde behuizing wordt geplaatst met een werkende en deze zo identiek mogelijk zijn qua ontwerp, afmetingen en gebruikte materialen, dan zal een veel lagere gevoeligheid van het hele apparaat voor externe destabiliserende invloeden zijn. verzekerd. In dergelijke gevallen kunnen we spreken van een semi-differentiële capacitieve sensor, die net als de differentiële sensor verwijst naar een bi-capacitieve sensor.

De specificiteit van de uitvoerparameter van sensoren met twee volumes, die wordt weergegeven als een dimensieloze verhouding van tweedimensionale fysieke grootheden (in ons geval capaciteiten), geeft reden om ze verhoudingssensoren te noemen. Bij gebruik van dubbele capaciteitssensoren bevat het meetapparaat mogelijk helemaal geen standaard capaciteitsmetingen, wat bijdraagt ​​aan een grotere meetnauwkeurigheid.

Lineaire verplaatsingsencoders

De niet-elektrische grootheden die moeten worden gemeten en geregeld, zijn talrijk en gevarieerd. Een aanzienlijk deel daarvan zijn lineaire en hoekverplaatsingen. Gebaseerd op een condensator die elektrisch veld twee hoofdtypen capacitieve verplaatsingssensoren kunnen uniform in de werkopening worden gemaakt:

• met variabel elektrodeoppervlak;

• met een variabele opening tussen de elektroden.

Het is vrij duidelijk dat de eerste handiger zijn voor het meten van grote verplaatsingen (eenheden, tientallen en honderden millimeters), en de laatste voor het meten van kleine en ultrakleine verplaatsingen (delen van een millimeter, micrometers en minder).

Hoekige encoders

Hoekverplaatsing capacitieve transducers zijn in principe vergelijkbaar met lineaire verplaatsing capacitieve transducers, en sensoren met variabel oppervlak zijn ook geschikter in het geval van niet te kleine meetbereiken (vanaf eenheden van graden), en capacitieve sensoren met variabele hoekafstand kan met succes worden gebruikt om kleine en ultrakleine hoekverplaatsingen te meten. Meestal worden transducers met meerdere secties met een variabel condensatorplaatoppervlak gebruikt voor hoekverplaatsingen.

In dergelijke sensoren is een van de condensatorelektroden bevestigd aan de as van het object en tijdens rotatie wordt deze verplaatst ten opzichte van de stationaire elektrode, waardoor het overlappingsgebied van de condensatorplaten verandert. Dit veroorzaakt op zijn beurt een capaciteitsverandering die wordt opgevangen door het meetcircuit.

Inclinometers

De inclinometer (kantelsensor) is een differentiële capacitieve kanteltransducer met een capsulevormig sensorelement.

Capacitieve inclinometer

De capsule bestaat uit een substraat met twee platte elektroden 1, bedekt met een isolerende laag, en een lichaam 2, hermetisch bevestigd aan het substraat.De interne holte van het lichaam is gedeeltelijk gevuld met een geleidende vloeistof 3, de gemeenschappelijke elektrode van een gevoelig element.De gemeenschappelijke elektrode vormt een differentiële condensator met de platte elektroden. Het uitgangssignaal van de sensor is evenredig met de waarde van de capaciteit van de differentiële condensator, die lineair afhankelijk is van de positie van de behuizing in het verticale vlak.

De inclinometer is ontworpen om een ​​lineaire afhankelijkheid van het uitgangssignaal te hebben van de hellingshoek in het ene zogenaamde werkvlak en verandert praktisch niet de meetwaarden in het andere (niet-werkende) vlak, terwijl het signaal zwak afhankelijk is van de temperatuur veranderingen. Om de positie van het vlak in de ruimte te bepalen, worden twee inclinometers gebruikt, die zich onder een hoek van 90 ° ten opzichte van elkaar bevinden.

Kleine hellingmeters met een elektrisch uitgangssignaal dat evenredig is met de hellingshoek van de sensor zijn relatief nieuwe apparaten. Hun hoge nauwkeurigheid, miniatuurformaat, het ontbreken van beweegbare mechanische eenheden, installatiegemak ter plaatse en lage kosten maken het raadzaam om ze niet alleen als rolsensoren te gebruiken, maar ook om er hoeksensoren mee te vervangen, niet alleen stationair maar ook bewegend voorwerpen.

Capacitieve vloeistofniveausensoren

Een capacitieve zender voor het meten van het niveau van een niet-geleidende vloeistof bestaat uit twee parallel geschakelde condensatoren

Druk sensoren

Een van de basisontwerpen van een capacitieve druktransducer is een enkele stator, die wordt gebruikt om de absolute druk te meten (elektrische druksensoren).

Zo'n sensor bestaat uit een metalen cel die in twee delen is verdeeld door een strak gespannen plat metalen diafragma, aan een zijde waarvan een vaste elektrode is geïsoleerd van het lichaam.De membraanelektrode vormt een variabele capaciteit, die wordt opgenomen in het meetcircuit. Wanneer de druk aan beide zijden van het diafragma gelijk is, is de transducer gebalanceerd. Een drukverandering in een van de kamers vervormt het membraan en verandert de capaciteit, die wordt vastgelegd door het meetcircuit.

In een ontwerp met twee stations (differentieel) beweegt het membraan tussen twee vaste platen en wordt een referentiedruk geleverd aan een van de twee kamers, wat zorgt voor een directe meting van het drukverschil (over- of verschildruk) met de kleinste fout.