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Capacitivo do sensor: aparelho e princípio da operação. sensores capacitivos: aplicação

A indústria moderna, e as actividades humanas humanas diárias, também, é impossível imaginar sem todos os tipos de dispositivos eletrônicos. Eles nos ajudar em todos os sentidos, e algumas operações de fabricação para executar não tem sucesso sem eles. Para esses "ajudantes" também deve incluir um sensor capacitivo.

Assim chamado conversores feitas por tipo paramétrico. Medição de um volume de tais dispositivos é realizada por meio de variações de capacitância quando mudando de alguns parâmetros importantes. Simplificando, a variação estimada na capacitância sob a influência de alguns fatores externos.

O princípio de funcionamento do sensor capacitivo

Isso é o que os sensores capacitivos. O princípio de funcionamento não são tão difícil, mas para compreendê-lo você precisa saber alguma coisa. Para começar, recordar o princípio de determinar a capacidade do condensador. Esta acção é expressa pela seguinte fórmula:

C = εεₒS / δ.

Esta expressão é conhecido por muitos do curso de física da escola, mas não faria mal para refrescar sua memória e recordação, o que significa cada uma das variáveis:

  • S – área das placas do condensador.
  • E – permissividade relativa do material dielétrico usado no projeto capacitor.
  • εₒ – como na física para denotar permissividade do espaço livre.
  • δ – de modo que pode ser designado ou a espessura da placa dieltrica, ou a distância entre as várias camadas de material.

Assim, a partir da fórmula acima que a capacitância mudar facilmente. Basta que de algum modo actuar na área da placa de material dieléctrico, uma distância entre as placas ou directamente com a permeabilidade ao utilizado no fabrico do material. Assim, a seleção de especial valor depende unicamente da lista de tarefas que os designers de dispositivos definiu.

Assim, podemos até mesmo fazer um sensor capacitivo com as mãos, como um ponto de vista construtivo que é – o capacitor plana ou cilíndrica de costume, um prato de que é constantemente experimentando um movimento controlado no espaço, o que leva a uma mudança na capacitância. Deve ser lembrado que a fórmula acima é válida somente se você está negligenciando completamente os efeitos de borda. Falaremos mais sobre isso na seção final deste artigo.

Deve ser conhecido que tais dispositivos electrónicos são utilizados extensivamente para a medição dos deslocamentos angulares e lineares de objectos, calcular o tamanho, o trabalho aplicado, humidade, concentração de substância activa e outras características. No que diz respeito aos aspectos estruturais da pergunta, então o referido fardos forem feitos planos paralelos, em caixas cilíndricas com eléctrodos de pinos, com um revestimento de um material dieléctrico, e mesmo sem ela.

Veja como funcionam os sensores capacitivos. O princípio de funcionamento de alguns deles precisam saber em grande detalhe. Neste artigo, vamos dar algumas fórmulas que podem ser úteis para você.

Fórmula para descrever o princípio de funcionamento de certos tipos de sensores

O sensor de nível com as variações possíveis do quadrado placas dieléctricas pode ser facilmente descrita, utilizando a seguinte equação:

C = εεₒaH / δ.

Por "X" neste caso refere-se ao comprimento da sobreposição de eléctrodos utilizados. Por conseguinte, "um" indica a largura das placas do condensador. Deve notar-se que tais dispositivos têm sido aplicados em vários campos da indústria, onde eles são utilizados para a medição precisa dos valores angulares. capacidade do transdutor em tal caso é encontrado através da seguinte expressão:

C = εεₒ (r₂- Rj) / 2δ * (φₒ-φ).

A fim de medir com precisão a sensibilidade, você deve usar uma fórmula ligeiramente diferente:

K = εεₒ (R- r₂-) / 2δ.

Vamos ver o que se entende por aquelas variáveis que fazem parte destas equações:

  • R- – raio interno das placas do condensador;
  • Rp – raio externo da mesma placa;
  • φ – medido no valor do momento (real) do ângulo de sobreposição;
  • φₒ – o valor inicial do ângulo de sobreposição.

Finalmente, vamos explicar a expressão matemática que descreve o princípio de funcionamento do medidor de capacitiva com espaço de ar ajustável:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Previsivelmente, uma folga primário δₒ entendido, a letra X são a mesma quantidade de deslocamento da placa. Preste atenção! Desde características estáticas não são estritamente linear, normalmente o sensor de nível do tipo usado para medir muito pequenos deslocamentos, que não será superior a 0,1δₒ quantidade. Naturalmente, estes dispositivos são altamente exigidos em engenharia de precisão, onde até mesmo pequenos erros podem causar problemas muito graves.

Onde eles podem ser usados?

Áreas de possível aplicação são extremamente diversificadas. Assim, em praticamente todas as indústrias podem atender a operação, os quais são controlados por estes dispositivos. Eles são usados para controlar o enchimento dos vários tanques, e os seus conteúdos podem ser (sensor de gás) líquido, gasoso e em partículas.

A prevalência de atividade industrial humana industrial e normal é maior, mais confiável e mais fácil de projetar tais dispositivos. A partir da combinação destes sintomas, eles são tão bons que eles podem ser usados mesmo em condições extremamente agressivas detém petroleiros.

Além disso, o sensor capacitivo pode ser utilizada como um interruptor de limite na linha de transporte ou da máquina de fabrico loja. É necessário e para o posicionamento mais preciso de vários mecanismos.

sensores de proximidade

Mas agora na demanda grandes sensores de proximidade, que são feitas de exatamente o mesmo princípio. A gama de seu uso é ainda maior. Isto é devido aos dispositivos centavo de custo que pode trabalhar em praticamente todos os tipos de indústria. No entanto, existem indústria típico onde este tipo de equipamentos são os mais populares:

  • Controlo dos recipientes transparentes cheias de líquido de plástico ou de vidro.
  • Uma função similar é executada pelos mesmos no fabrico de produtos alimentares (incluindo crianças), onde o produto acabado é embalado em recipientes feitos de materiais transparentes. No mesmo princípio base eo trabalho do fardo como um sensor de combustível capacitiva.
  • Para monitorizar áreas perigosas, onde possível quebradas fio de enrolamento.
  • Controlar locais semelhantes, onde a correia transportadora transportador possam ser danificados.
  • controlar individualmente o tipo de produtos produzidos (conversão de latas, garrafas, embalagens).

Não surpreendentemente, estes dispositivos eletrônicos são os mais comuns na engenharia de precisão, geração de energia e muitas outras indústrias variedade de sensores.

inclinômetros

Dispositivos que se tornaram predominantes apenas em anos relativamente recentes são de pequeno porte inclinômetro capacitiva fornecendo sinal de saída elétrica de transmissão cuja magnitude é diretamente proporcional ao sensor de ângulo usado.

O principal campo de utilização mais comum destes dispositivos: Sistema de plataforma de alinhamento, de determinação da deflexão e a deformação de vários tipos de vigas de suporte técnico, bem como um controlo preciso da estrada, caminho de ferro de desvio faixa na fase da sua construção.

Além do mais, utilizando tais dispositivos determinar o rolo de camiões pesados e outros veículos, elevadores e escavadoras industriais e verificar o grau de deslocamento angular para máquinas agrícolas e industriais particularmente grandes.

Muito importante capacitivos nível de combustível sensores na indústria do petróleo. Eles são usados mesmo nos superpetroleiros que transportam em uma dezenas de viagem e centenas de milhares de toneladas de produtos petrolíferos refinados. Esses dispositivos são extremamente eficazes, mesmo na formação muito abundante de condensado e um grau elevado de área de produção de pó (o mesmo sensor de gás).

Eles encontram a sua utilização nos valores de medição dos níveis de pressão absoluta e relativa, bem como a espessura do material dieléctrico, o que é extremamente importante em quase todas as indústrias onde condensadores verdadeiramente potentes são utilizadas.

As principais vantagens dos sensores capacitivos

Deve-se notar que o sensor capacitivo tem muitas vantagens quando comparado com os dispositivos semelhantes que são formadas em princípios um pouco diferentes. Vamos listar as principais vantagens destes Kip:

  • Na fabricação, eles são extremamente simples. Além disso, os materiais mais simples e baratas podem ser usados em sua produção. Mesmo os sensores de nível de combustível capacitivo utilizados na indústria de petróleo objectos importantes tem tamanho extremamente modesta tem o mais baixo nível possível de consumo de energia eléctrica. Com todas estas características, eles diferem excelente nível de sensibilidade, que é muitas vezes inatingíveis para os dispositivos mais caros.
  • Em princípio, pode ser um sensor capacitivo com as mãos, usando como base qualquer qualidade capacitor industrial mais ou menos confiável e de alta.
  • Os contatos que eles têm (muito raramente usado um coletor de corrente), o que é extremamente benéfico para o trabalho em condições de alta umidade e poeira.
  • extremamente longa vida útil, a unidade administra repetidamente para "recuperar" seu baixo custo. Assim, o sensor capacitivo (cujo preço está na faixa 1200-1700 rublos) é a aquisição extremamente rentável.
  • Para mover a parte móvel do dispositivo é necessário para fazer surpreendentemente pouco esforço.
  • O dispositivo é muito fácil de combinar com quase todas as categorias de equipamento que é usado apenas em atividades industriais.

aspectos negativos

Infelizmente, cada sensor capacitivo tem certas desvantagens, que até certo ponto, complicar o uso difundido deste tipo de equipamento. Listamos-los com mais detalhes:

  • factor de conversão (isto é, transmissão) é relativamente baixa.
  • Pequeno tamanho e simplicidade do design contribuir para o fato de que o bastante altas demandas nomeado na qualidade de dispositivos de rastreamento.
  • Bom sensor de nível capacitivo (e outros instrumentos de medição semelhantes) pode funcionar eficazmente apenas com uma frequência muito mais elevada do que o valor padrão de 50 Hz.

Avisos importantes

No entanto, nem tudo é tão ruim. Muitos fabricantes procuram excelentes características de protecção dos sensores, fazendo pequenas alterações em sua estrutura. Tal como para a frequência de utilização, na prática eles mostram excelentes resultados em termos de valor industrial generalizada de 400 Hz.

Nós já falamos sobre a lealdade à fórmula básica somente se ignorar o efeito de borda. Mas é útil saber que ele pode realmente ter um efeito negativo apenas no caso em que a distância entre as placas dielétricas é comparável ao seu próprio tamanho. Além disso, o efeito negativo pode ser em grande parte neutralizar simplesmente utilizando o anel de guarda. Neste caso, o impacto dos efeitos de fronteira não pode transferir bem para além das placas utilizadas.

Mais uma vez, observamos que os mesmos sensores de pressão são caracterizado por uma notável simplicidade, o que permite a criação de uma estrutura estável admiravelmente, durável e de baixo custo. Se você escolher as dimensões geométricas adequadas utilizadas dielétrico é usado na produção de um tal de materiais de capacitores não pode particularmente preocupados.

Assim, correctamente pegando o carimbo de metal para o fabrico da caixa do sensor, é praticamente insignificante flutuações de temperatura mesmo fortes que poderiam resultar numa alteração na capacitância do dispositivo e das suas leituras inadequadas. Claro, isso não elimina a necessidade de realizar sensores isolado pressão completas e outros tais indicadores de fatores ambientais agressivos. Apesar da sua simplicidade, os níveis elevados de radiação de alta humidade e que podem afectar negativamente a fiabilidade do dispositivo.

classificação de sensores

Utilizada nos processos industriais para a sua produção permitem o compartilhamento de todos os tipos de sensores produzidos em dois grandes grupos: odnoemkostnye e dvuhemkostnye. O último tipo é dividido em diferencial e poludifferentsialnye. Vamos considerá-los mais detalhadamente.

dispositivo Odnoemkostny. Neste caso, o circuito sensor capacitivo extremamente simples, uma vez que a sua parte principal é o condensador mais comum com capacitância variável. Infelizmente, mesmo um ligeiro aumento de umidade e temperatura tem na precisão dos indicações impacto muito tangível. Devido a isso, existem vários sensores muitas vezes mau funcionamento. Para neutralizar a magnitude de tais erros, é necessário o uso de estrutura diferenciada.

sensor de Dvuhemkostny. Na verdade, é apenas uma estrutura tão diferenciada. Muitas vezes, é possível encontrar o sensor de nível capacitivo é fabricado por um tal esquema. Estes dispositivos são entregues a partir das principais desvantagens do modelo anterior, mas têm suas próprias fraquezas. A desvantagem mais significativa é a necessidade de utilizar dois ou três fios blindados entre o próprio dispositivo e a superfície, porque só desta maneira pode suprimir o chamado capacitância parasita.

No entanto, um esquema bastante sofisticado de sensores capacitivos, neste caso, é fácil de ignorar, porque em troca recebe um dispositivo extremamente preciso e sensível.

sensores construindo Especificidade

Em muitos casos (a partir do ponto de vista do design) a criação de tais dispositivos é problemática. Isto é especialmente verdadeiro quando você quer criar um sensor com níveis variáveis de capacidade. No entanto, a experiência mostra que muitos dos problemas são resolvidos quase completamente calibração precisa e materiais de alto desempenho utilizados na produção. Na maioria das vezes estas dificuldades enfrentadas pelos produtores dvuhemkostnyh sensores.

Em geral, a especificidade deste tipo de dispositivos de medição é que eles podem ser representados como uma relação adimensional de duas grandezas físicas (recipientes) que têm uma expressão físico preciso e significado. De modo que eles podem ser chamados com segurança "investiga a relação." A vantagem destes dispositivos (-lhes enorme vantagem!) É que eles geralmente não podem ter na sua concepção algumas medidas padrão que resfriam aumenta a confiabilidade em situações e condições muito extremas.

Caracterização de transdutores lineares

Todos os valores não eléctricos, que é muitas vezes necessária para controlar num ambiente industrial, é extremamente diverso e multifacetado. Uma parte significativa das medidas que estão sujeitos a um controlo rigoroso, fazer movimentos angulares e lineares mesmo diferentes tipos de superfícies no espaço. Se você usar um capacitor que tem campo elétrico absolutamente uniforme no espaço, não é tão difícil de fazer sensores electrónicos dois dos seguintes tipos:

  • Em que a área dos eléctrodos é variável.
  • Aqueles que têm uma distância variável entre os eléctrodos.

É fácil entender que o primeiro tipo é o mais adequado para fixar o realmente grande movimento, ao usar a segunda variedade pode ser notado até mesmo alguns movimentos do corpo no espaço, cujo valor é igual a apenas alguns mícrons!

Os sensores para determinar o deslocamento angular

Em geral, pelo design e propósito, eles quase completamente idêntico ao tipo de contato anterior. Similaridade manifesta-se no facto de que os sensores são eléctrodos de uma área variável deve também ser utilizados para dimensões maiores e com uma distância variável entre os próprios eléctrodos – pequenas. Tipicamente, tais dispositivos são feitos multi-seccional, com a possibilidade de alterar a área das placas do condensador.

Para conseguir isto, um primeiro eléctrodo fixado ao eixo móvel em rotação, que muda a sua posição relativa para a segunda área de mudança que fornece a sobreposição das placas dieléctricas do condensador. Naturalmente, quando se registrou uma mudança na capacitância.

resultados

Então, discutimos as características básicas do nível do instrumento, aprendemos sobre suas áreas de aplicação, sobre as características do projeto, o princípio da ação e possíveis soluções técnicas. Como você pode entender a partir do artigo, a prevalência de sensores capacitivos e sua extremamente alta popularidade é baseada no preço muito atraente de tais dispositivos e uma longa vida útil, mesmo sob condições ambientais difíceis.

Tudo isso é possível graças ao fato de que, do ponto de vista construtivo, todos estes medidores são apenas capacitores convencionais, que são caracterizadas por uma maneira um tanto incomum da sua aplicação. No entanto, você pode e descobrir por si mesmo, uma vez mais olhando para as fórmulas matemáticas que reflectem globalmente os princípios Kip trabalho.