Moderna industrija, kao i svakodnevna ljudska aktivnost, ne mogu se zamisliti bez svih vrsta elektroničkih uređaja. Oni nam u svemu pomažu, a neke tehnološke operacije bez njih se uopće ne mogu izvoditi. Kapacitivni senzor također treba nazvati takvim "pomoćnicima".
Ovo je naziv pretvarača napravljenih prema parametarskom tipu. Mjerenje određenog volumena s takvim uređajima provodi se zbog fluktuacija kapacitivnosti pri promjeni nekih važnih parametara. Jednostavno rečeno, promjena kapaciteta kondenzatora procjenjuje se pod utjecajem nekih vanjskih čimbenika.
Kako radi kapacitivni senzor
To su kapacitivni senzori. Princip njihovog rada nije tako kompliciran, ali da biste ga razumjeli, morate nešto znati. Prvo, prisjetimo se principa određivanja kapaciteta kondenzatora. Ova se radnja izražava pomoću sljedeće formule:
S=εεₒS/δ.
Ovaj izraz je mnogima poznat iz školskog tečaja fizike, ali ne bi škodilo da osvježite pamćenje i zapamtite što svaka od varijabli znači:
- S je površina ploče kondenzatora.
- Ε je relativna propusnost dielektričnog materijala korištenog u konstrukciji kondenzatora.
- εₒ - ovako je uobičajeno u fizici označavati permitivnost vakuuma.
- δ - ili debljina dielektrične ploče, ili udaljenost između nekoliko slojeva materijala.
Dakle, iz gornje formule slijedi da je lako promijeniti kapacitet kondenzatora. Dovoljno je nekako djelovati na površinu ploče dielektričnog materijala, na razmak između ploča ili izravno na propusnost materijala koji se koristi u proizvodnji. Sukladno tome, izbor određene vrijednosti ovisi isključivo o popisu zadataka koje su dizajneri postavili za uređaj.
Dakle, možete čak i vlastitim rukama napraviti kapacitivni senzor, budući da je s konstruktivnog stajališta riječ o običnom ravnom ili cilindričnom kondenzatoru, čija jedna ploča stalno doživljava kontrolirano kretanje u prostoru, što vodi do promjene kapaciteta. Imajte na umu da je gornja formula istinita samo ako potpuno zanemarite rubne efekte. O tome ćemo više govoriti u završnom dijelu našeg članka.
Treba znati da se ova vrsta elektroničkih uređaja intenzivno koristi za mjerenje kutnih i linearnih pomaka objekata, izračunavanje veličine, primijenjenog rada, vlažnosti, koncentracije djelatne tvari i drugih karakteristika. Što se tiče konstruktivne strane pitanja,spomenuta instrumentacija izrađena je ravnoparalelno, u cilindričnim kućištima, s pin elektrodama, s brtvom od dielektričnog materijala i uopće bez iste.
Ovako rade kapacitivni senzori. Načelo rada nekih od njih potrebno je posebno detaljno poznavati. U ovom članku pružit ćemo nekoliko formula koje bi vam mogle biti korisne.
Formule za opisivanje principa rada nekih tipova senzora
Senzor razine s mogućom promjenom površine dielektričnih ploča može se vrlo jednostavno opisati sljedećom jednadžbom:
S=εεₒaH/δ.
Pod "X" u ovom slučaju se odnosi na duljinu preklapanja korištenih elektroda. Prema tome, "a" označava širinu ploča samog kondenzatora. Valja napomenuti da su takvi uređaji svoju primjenu našli u raznim područjima industrije, gdje se koriste za najtočnije mjerenje kutnih veličina. Kapacitet pretvarača u ovom slučaju nalazi se kroz sljedeći izraz:
S=εεₒ(r₂- r₁)/2δ(φₒ-φ).
Kako bi se precizno izmjerila osjetljivost, treba koristiti malo drugačiju formulu:
K=εεₒ(r₂- r₁)/2δ.
Shvatimo što se podrazumijeva pod varijablama koje su dio ovih jednadžbi:
- r₁ - unutarnji radijus ploče kondenzatora;
- r₂ - vanjski polumjer iste ploče;
- φ – trenutno izmjerena (trenutna) vrijednost kuta preklapanja;
- φₒ - početna vrijednost kuta preklapanja.
Na kraju, analizirajmo matematički izraz koji opisuje princip rada kapacitivnog mjerača s promjenjivim zračnim rasporom:
C=εεₒS/(δₒ-X).
Nije teško pogoditi da se δₒ odnosi na primarni razmak, dok slovo X označava količinu pomaka ploče. Bilješka! Budući da su statičke karakteristike čisto nelinearne, ova vrsta senzora razine obično se koristi za mjerenje iznimno malih pomaka čija vrijednost ne prelazi 0,1δₒ. Naravno, ovi su uređaji vrlo traženi u preciznom inženjerstvu, gdje čak i manja greška može dovesti do prilično ozbiljnih problema.
Gdje se mogu koristiti?
Područja njihove moguće primjene iznimno su raznolika. Dakle, u gotovo svim industrijama možete pronaći operacije koje kontroliraju ovi uređaji. Koriste se za kontrolu punjenja raznih rezervoara, a njihov sadržaj može biti tekući, rasuti ili plinoviti (senzor plina).
Njihova prevalencija u industriji i običnim ljudskim proizvodnim aktivnostima je veća, što je pouzdaniji i jednostavniji dizajn takvih uređaja. Zajedno, ove su značajke toliko dobre da se mogu koristiti čak i u nevjerojatno agresivnim uvjetima skladišta naftnih tankera.
Osim toga, kapacitivni senzor se može koristiti kao granični prekidač na transportnoj liniji ili strojuproizvodna radnja. Također je potrebno za što preciznije pozicioniranje raznih mehanizama.
Senzori blizine
Ali trenutno su posebno traženi senzori blizine koji se izrađuju po potpuno istom principu. Raspon njihove uporabe je još širi. To je zbog novčane cijene uređaja i mogućnosti rada u gotovo svim vrstama industrije. Međutim, postoje tipične industrije u kojima su uređaji ove vrste najtraženiji:
- Kontrola nad punjenjem prozirnih plastičnih ili staklenih posuda tekućinom.
- Sličnu funkciju obavljaju i u proizvodnji prehrambenih proizvoda (uključujući i dječje), gdje se gotov proizvod pakira u posude od prozirnih materijala. Rad takve instrumentacije kao kapacitivnog senzora goriva temelji se na istom principu.
- Za kontrolu opasnih područja gdje je moguć lom žice za namotaje.
- Praćenje sličnih mjesta na kojima bi se pokretna traka mogla oštetiti.
- Kontrola po komadu vrste proizvedenog proizvoda (brojenje limenki, boca, pakiranja).
Nije ni čudo da su ovi elektronički uređaji najčešći tip senzora u preciznom inženjerstvu, energetici i mnogim drugim industrijama.
Inklinometri
Instrumenti koji su postali relativno uobičajeni tek posljednjih godina su kapacitivni inklinometri male veličine koji daju električni izlazni signal, čija je veličina izravno proporcionalna kutu nagiba korištenog senzora.
Većinazajednička glavna područja uporabe ovih uređaja: sustavi niveliranja platforme, određivanje progiba i tehničkih deformacija različitih vrsta potpornih greda, kao i najtočnija kontrola nagiba automobilskih i željezničkih kolosijeka čak iu fazi njihove izgradnje.
Osim toga, uz pomoć takvih uređaja određuju kotrljanje teških vozila i drugih vozila, dizala i industrijskih bagera, a također doznaju i stupanj kutnog pomaka u odnosu na poljoprivredne i industrijske strojeve ekstra velikih veličina.
Kapacitivni senzori razine goriva vrlo su važni u naftnoj industriji. Koriste se čak i na supertankerima koji u jednom putovanju prevoze desetke i stotine tisuća tona prerađenih naftnih derivata. Ovi uređaji su izuzetno učinkoviti čak i u uvjetima izrazito obilnog stvaranja kondenzata i visokog stupnja zaprašenosti u proizvodnoj prostoriji (isti senzor plina).
Svoju primjenu nalaze i u mjerenju veličine apsolutne i relativne razine tlaka, kao i debljine dielektričnog materijala, što je iznimno važno u gotovo svim industrijama gdje se koriste stvarno snažni kondenzatori.
Glavne prednosti kapacitivnih senzora
Treba napomenuti da kapacitivni senzor ima puno prednosti u usporedbi sa sličnim uređajima koji su napravljeni po nešto drugačijim principima. Navedimo glavne prednosti ovih KPI-ova:
- U proizvodnji onikrajnje jednostavno. Osim toga, u njihovoj proizvodnji mogu se koristiti najjednostavniji i najjeftiniji materijali. Čak i kapacitivni senzori razine goriva koji se koriste u važnim pogonima naftne industrije iznimno su skromnih dimenzija i imaju najnižu moguću razinu potrošnje električne energije. Uz sve ove karakteristike, odlikuje ih izvrsna razina osjetljivosti koja je često nedostižna za skuplje uređaje.
- U principu, kapacitivni senzor možete napraviti vlastitim rukama, koristeći bilo koji više ili manje pouzdan i kvalitetan industrijski kondenzator kao osnovu.
- Nemaju kontakata (jedan strujni kolektor se vrlo rijetko koristi), što je izuzetno korisno za rad u uvjetima velike prašine i vlage u prostoriji.
- Vek trajanja je iznimno dug, uređaj više puta uspijeva "povratiti" svoju nisku cijenu. U skladu s tim, kapacitivni senzor (čija je cijena u rasponu od 1200-1700 rubalja) izuzetno je isplativa kupnja.
- Potrebno je iznenađujuće malo truda da se pomakne pokretni dio instrumenta.
- Uređaj je vrlo lako kombinirati s gotovo svim kategorijama opreme koja se koristi samo u industrijskim djelatnostima.
Negativni bodovi
Nažalost, svaki kapacitivni senzor ima određene nedostatke, koji na ovaj ili onaj način otežavaju svugdje korištenje ove vrste opreme. Nabrojimo ih detaljnije:
- Omjer pretvorbe (tj. prijenosa) je razmjerannisko.
- Mala veličina i jednostavnost dizajna doprinose činjenici da se postavljaju prilično visoki zahtjevi za kvalitetu zaštitnih uređaja.
- Dobar kapacitivni senzor razine (i drugi slični mjerni uređaji) može učinkovito raditi samo na frekvenciji koja je mnogo veća od standardne vrijednosti od 50 Hz.
Važne napomene
Ipak, nije sve loše. Mnogi proizvođači postižu izvrsne performanse zaštite senzora uz minimalne promjene dizajna. Što se tiče učestalosti korištenja, u praksi pokazuju izvrsne rezultate na vrijednosti od 400 Hz, koja se široko koristi u industriji.
Već smo govorili o ispravnosti glavne formule samo ako se zanemari efekt ruba. Ali u isto vrijeme, korisno je znati da stvarno može imati negativan učinak samo ako je udaljenost između dielektričnih ploča usporediva s njihovim vlastitim dimenzijama. Osim toga, negativni učinak može se uvelike izravnati jednostavnom upotrebom zaštitnog prstena. U ovom slučaju, granice utjecaja efekta mogu se pomaknuti daleko izvan granica primijenjenih slojeva.
Još jednom, isti senzori tlaka su izvanredni po svojoj izvanrednoj jednostavnosti, što omogućuje stvaranje iznenađujuće stabilnih, izdržljivih i jeftinih dizajna. Ako odaberete ispravne geometrijske dimenzije korištenog dielektrika, onda se ne morate previše brinuti o materijalima koji se koriste u proizvodnji takvog kondenzatora.
Tako se odabirom odgovarajuće kvalitete metala za izradu kućišta senzora praktički mogu zanemariti čak i jake temperaturne fluktuacije koje bi mogle dovesti do promjene kapaciteta uređaja i neadekvatnosti njegovih očitanja. Naravno, to uopće ne eliminira potrebu što pažljivije izolirati senzore tlaka i druge slične pokazatelje od agresivnih čimbenika okoliša. Unatoč njihovoj jednostavnosti, visoka vlažnost i visoka razina zračenja mogu imati izrazito negativan utjecaj na pouzdanost uređaja.
Klasifikacija senzora
Način njihove proizvodnje koji se koristi u industriji omogućavaju podjelu svih proizvedenih tipova senzora u dvije velike skupine: jednokapacitetne i dvokapacitetne. Potonja se sorta dijeli na diferencijalnu i poludiferencijalnu. Pogledajmo ih detaljnije.
Uređaj jednog kapaciteta. U ovom slučaju, krugovi kapacitivnih senzora su iznimno jednostavni, budući da je njihov glavni dio najčešći varijabilni kondenzator. Nažalost, čak i malo povišena vlaga i temperatura imaju vrlo zamjetan učinak na točnost očitanja. Zbog toga se često javljaju razni kvarovi senzora. Kako bi se izjednačila veličina takvih pogrešaka, potrebno je koristiti diferencirane strukture.
Dvostruki senzor kapaciteta. Zapravo, on je tako diferencirana struktura. Vrlo često možete pronaći kapacitivni senzor razine izrađen točno prema ovoj shemi. Ovi uređaji su pošteđeni glavnih nedostataka prethodnog modela, ali imaju svoje slabosti.strane. Njihov najznačajniji nedostatak je potreba za korištenjem dvije ili tri oklopljene žice između samog uređaja i površine, budući da je to jedini način za suzbijanje tzv. parazitskih kapacitivnosti.
Međutim, u ovom slučaju lako je zanemariti prilično složene kapacitivne senzorske krugove, budući da zauzvrat dobivate izuzetno precizan i osjetljiv uređaj.
Specifičan dizajn senzora
U mnogim slučajevima (sa stajališta dizajna) stvaranje takvih uređaja je prilično problematično. To je osobito istinito kada je potrebno izraditi senzor s promjenjivom razinom kapacitivnosti. Međutim, praksa pokazuje da se mnogi problemi gotovo u potpunosti rješavaju točnim kalibriranjem i visokim performansama materijala koji se koriste u proizvodnji. Proizvođači senzora s dvostrukom kapacitivnošću često se suočavaju s ovim poteškoćama.
Općenito, specifičnost ove vrste mjernih instrumenata leži u činjenici da se mogu predstaviti kao bezdimenzijski omjer dviju fizičkih veličina (kapacitivnosti), koje imaju točan fizički izraz i vrijednost. Stoga se sa sigurnošću mogu nazvati "senzorima stava". Prednost ovih uređaja (veliki plus!) je u tome što možda uopće nemaju referentne mjere u svom dizajnu, što uvelike povećava njihovu pouzdanost u stvarno ekstremnim situacijama i uvjetima.
Karakteristike senzora linearnog pomaka
Sve neelektrične količine kojekoje se često zahtijevaju za upravljanje u industrijskim okruženjima, iznimno su raznolike i višestruke. Značajan dio mjera koje podliježu strogoj kontroli su kutni, pa čak i linearni pomaci raznih vrsta površina u prostoru. Ako koristite kondenzator, koji ima apsolutno ujednačeno električno polje u radnom razmaku, tada nije tako teško napraviti elektroničke senzore sljedeće dvije vrste:
- Koja će površina elektrode biti promjenjiva.
- One koje imaju promjenjiv razmak između ovih elektroda.
Lako je razumjeti da je prva vrsta najprikladnija za fiksiranje stvarno velikih pokreta, dok se korištenjem druge vrste mogu primijetiti čak i takvi pokreti tijela u prostoru čija je veličina svega nekoliko mikrona !
Senzori za određivanje kutnih pomaka
Općenito, u smislu dizajna i namjene, gotovo su potpuno identični tipu koji smo upravo razmatrali. Sličnost se očituje i u činjenici da se senzori s promjenjivom površinom elektroda također trebaju koristiti za velika mjerenja, a s promjenjivom udaljenosti između samih elektroda - za mala. U pravilu se takvi uređaji izrađuju višestruko, s mogućnošću promjene površine kondenzatorskih ploča.
Da bi se to postiglo, prva elektroda je pričvršćena na pomičnu osovinu, tijekom čije rotacije mijenja svoj položaj u odnosu na drugu, što osigurava promjenu područja preklapanja dielektričnih ploča u kondenzator. Naravno, u ovom slučaju, promjena kapacitivnosti je fiksna.
Zaključci
Tako smo ispitali glavne karakteristike uređaja ove razine, upoznali se s njihovim područjima primjene, značajkama dizajna, principima rada i mogućim tehničkim rješenjima. Kao što možete razumjeti iz članka, rasprostranjenost kapacitivnih senzora i njihova iznimno velika popularnost temelje se na vrlo atraktivnoj cijeni takvih uređaja i njihovom dugom vijeku trajanja čak i u teškim uvjetima okoliša.
Sve je to moguće zahvaljujući činjenici da su, s konstruktivne točke gledišta, svi ovi mjerači samo standardni kondenzatori, koje karakterizira pomalo neobičan način korištenja. Međutim, možete sami saznati ako ponovno pogledate matematičke formule, koje općenito odražavaju principe rada instrumentacije.
