Kapasitiiviset anturit

Kapasitiivista anturia kutsutaan parametrityyppiseksi muuntimeksi, jossa mitatun arvon muutos muunnetaan kapasitanssin muutokseksi.

Kapasitiiviset anturisovellukset

Kapasitiivisten antureiden mahdolliset sovellukset ovat erittäin erilaisia. Niitä käytetään teollisuusprosessien säätö- ja ohjausjärjestelmissä lähes kaikilla teollisuudenaloilla. Kapasitiivisia antureita käytetään ohjaamaan säiliöiden täyttöä nesteellä, jauheella tai rakeisilla aineilla, kuten rajakytkimet automatisoiduilla linjoilla, kuljettimilla, roboteilla, työstökeskuksilla, metallinleikkauskoneilla, signaalijärjestelmissä, erilaisten mekanismien paikantamiseen jne.

Tällä hetkellä yleisimpiä ovat läheisyys- (läsnäolo)anturit, joilla on luotettavuutensa lisäksi myös monia etuja. Suhteellisen alhaisilla kustannuksilla läheisyysanturit kattavat laajan suunnan sovelluksessaan kaikilla teollisuudenaloilla. Tämän tyyppisten kapasitiivisten antureiden tyypillisiä käyttöalueita ovat:

• merkinanto muovi- tai lasisäiliöiden täyttämiseksi;

• läpinäkyvien pakkausten täyttöasteen valvonta;

• kela katkeaa hälytys;

• hihnan kireyden säätö;

• kaikenlainen osittainen tili jne.

Kapasitiiviset lineaari- ja kulmaanturit ovat yleisimpiä laitteita, joita käytetään laajalti suunnittelussa ja liikenteessä, rakentamisessa ja energiassa, erilaisissa mittauskomplekseissa.

Suhteellisen uusista laitteista, jotka ovat tulleet laajaan teolliseen käyttöön viime vuosina, on tullut pienikokoisia kapasitiivisia kaltevuusmittareita, joiden sähköinen lähtösignaali on verrannollinen anturin kaltevuuskulmaan…. Seuraavia kaltevuusmittareiden käyttöalueita voidaan pitää pääasiallisina: käyttö laiturin tasoitusjärjestelmissä, erityyppisten tukien ja palkkien poikkeamien ja muodonmuutosten määritys, teiden ja rautateiden kaltevuuskulmien hallinta niiden rakentamisen, korjauksen ja käytön aikana, autojen, laivojen ja vedenalaisten robottien, nostureiden ja nostureiden, kaivinkoneiden, maatalouskoneiden rullan määrittäminen, erityyppisten pyörivien esineiden kulmasiirtymän määrittäminen - akselit, pyörät, vaihdelaatikkomekanismit sekä kiinteissä että liikkuvissa kohteissa .

Kapasitiivisia tasoantureita käytetään ohjausjärjestelmissä, tuotantoprosessien säätelyssä ja hallinnassa elintarvike-, lääke-, kemian- ja öljynjalostusteollisuudessa. Ne ovat tehokkaita työskenneltäessä nesteiden, bulkkimateriaalien, suspensioiden, viskoosien aineiden (johtavien ja johtamattomien) kanssa sekä kondensaatio- ja pölyolosuhteissa.

Kapasitiivisia antureita käytetään myös eri teollisuudenaloilla mittaamaan absoluuttista ja ylipainetta, dielektristen materiaalien paksuutta, ilman kosteutta, jännitystä, kulma- ja lineaarikiihtyvyyttä jne.

Kapasitiivisten antureiden edut muihin antureisiin verrattuna

Kapasitiiviset anturit tarjoavat useita etuja muihin anturityyppeihin verrattuna. Niiden etuja ovat:

• tuotannon helppous, halpojen materiaalien käyttö tuotantoon; — pieni koko ja paino; — alhainen energiankulutus; - yliherkkyys;

• kontaktien puute (joissakin tapauksissa yksi virranotto);

• pitkä käyttöikä;

• erittäin pienten voimien tarve siirtää kapasitiivisen anturin liikkuvaa osaa;

• anturin muodon mukauttamisen helppous erilaisiin tehtäviin ja malleihin;

Kapasitiivisten antureiden haitat

Kapasitiivisten antureiden haittoja ovat mm.

• suhteellisen pieni siirto- (muunnos)kerroin;

• korkeat vaatimukset suojaosille;

• tarve työskennellä korkeammalla (50 Hz:iin verrattuna) taajuudella;

Useimmissa tapauksissa riittävä suojaus voidaan kuitenkin saavuttaa anturirakenteen ansiosta, ja käytäntö osoittaa, että kapasitiiviset anturit antavat hyviä tuloksia laajalti käytetyllä 400 Hz:n taajuudella. Luontainen kondensaattorit reunavaikutelma tulee merkittäväksi vasta, kun levyjen välinen etäisyys on verrattavissa tarkasteltavien pintojen lineaarisiin mittoihin. Tämä vaikutus voidaan jossain määrin eliminoida suojarenkaalla, joka mahdollistaa sen vaikutuksen siirtämisen varsinaisesti mittauksiin käytettyjen levyjen pinnan rajojen ulkopuolelle.

Kapasitiiviset anturit ovat merkittäviä yksinkertaisuutensa vuoksi, mikä mahdollistaa vankan ja luotettavan rakenteen. Kondensaattorin parametrit riippuvat vain geometrisista ominaisuuksista, eivätkä ne riipu käytettyjen materiaalien ominaisuuksista, jos nämä materiaalit on valittu oikein. Siksi lämpötilan vaikutus pinnan muutoksiin ja levyetäisyyksiin voi olla mitättömän pieni valitsemalla levyille sopiva metallilaatu ja eristys niiden kiinnitykseen. Jää vain suojata anturia niiltä ympäristötekijöiltä, ​​jotka voivat heikentää levyjen välistä eristystä - pölyltä, korroosiolta, kosteudelta, ionisoivalta säteilyltä.

Kapasitiivisten antureiden arvokkaat ominaisuudet – pieni määrä mekaanista voimaa, joka vaaditaan sen liikkuvan osan siirtämiseen, kyky säätää seurantajärjestelmän lähtöä ja korkea toimintatarkkuus – tekevät kapasitiivisista antureista välttämättömiä laitteissa, joissa virheitä on vain sadasosia tai jopa tuhannesosat ovat sallittuja.

Kapasitiivisten muuntajien tyypit ja niiden suunnitteluominaisuudet

Tyypillisesti kapasitiivinen anturi on litteä tai sylinterimäinen kondensaattori, jonka yksi levyistä käy läpi ohjatun liikkeen aiheuttaen muutoksen kapasitanssissa. Jättäen huomioimatta loppuvaikutukset, litteän kondensaattorin kapasitanssi voidaan ilmaista seuraavasti:

missä ε Levyjen väliin suljetun väliaineen suhteellinen dielektrisyysvakio, C ja e - tarkasteltujen levyjen pinta-ala ja vastaavasti niiden välinen etäisyys.

Kapasitiivisilla antureilla voidaan mitata erilaisia ​​suureita kolmeen suuntaan riippuen mitatun ei-sähköisen suuren toiminnallisesta suhteesta seuraaviin parametreihin:

• väliaineen muuttuva dielektrisyysvakio ε;

• levyjen C päällekkäinen alue;

• erilainen etäisyys levyjen välillä e.

Ensimmäisessä tapauksessa aineen koostumuksen analysointiin voidaan käyttää kapasitiivisia muuntimia, koska dielektrisyysvakio on aineen ominaisuuksien funktio. Tässä tapauksessa muuntimen luonnollinen syöttöarvo on levyjen välisen tilan täyttävän aineen koostumus. Tämän tyyppisiä kapasitiivisia muuntimia käytetään erityisen laajalti kiinteiden aineiden ja nesteiden kosteuspitoisuuden, nestetason mittaamisessa sekä pienten esineiden geometristen mittojen määrittämisessä. Useimmissa tapauksissa käytännön käytössä kapasitiivisia muuntimia niiden luonnollinen syöttöarvo on elektrodien geometrinen siirtymä suhteessa toisiinsa.Tällä periaatteella lineaari- ja kulmasiirtymäanturit, voiman, tärinän, nopeuden ja kiihtyvyyden mittauslaitteet, anturit läheisyys-, paine- ja jännitysanturit (ekstensometrit).

Kapasitiivisen anturin luokitus

Toteutuksen suhteen kaikki kapasitiiviset mittausmuuntimet voidaan jakaa yksikapasitiivisiin ja kaksoiskapasitiivisiin antureihin. Jälkimmäiset ovat differentiaalisia ja puolidifferentiaalisia.

Yksi kapasitanssianturi on rakenteeltaan yksinkertainen ja yksi muuttuva kondensaattori. Sen haittoja ovat ulkoisten tekijöiden, kuten kosteuden ja lämpötilan, merkittävä vaikutus.Näiden virheiden kompensoimiseksi on käytettävä differentiaalimalleja... Tällaisten antureiden haittana yksikapasitanssisiin antureisiin verrattuna on se, että anturin ja mittauslaitteen välillä tarvitaan vähintään kolme (kahden sijaan) suojattua liitäntäjohtoa, jotka estävät niin. kutsutaan loiskapasitanssiksi. Tämä epäkohta kuitenkin maksetaan pois tällaisten laitteiden tarkkuuden, vakauden ja sovellusalueen laajennuksella.

Joissakin tapauksissa differentiaalisen kapasitiivisen anturin luominen on suunnittelusyistä vaikeaa (tämä pätee erityisesti vaihtelevan rakon differentiaalisensoreihin). Jos kuitenkin samaan aikaan esimerkillinen kondensaattori sijoitetaan samaan koteloon toimivan kondensaattorin kanssa ja ne ovat suunnittelultaan, mitoiltaan ja käytetyiltä materiaaleiltaan mahdollisimman identtisiä, koko laitteen herkkyys ulkoisille epävakauttaville vaikutuksille on huomattavasti pienempi. varmistettu. Tällaisissa tapauksissa voidaan puhua puolidifferentiaalisesta kapasitiivisesta anturista, joka, kuten differentiaalinen, viittaa bi-kapasitiiviseen.

Kaksitilavuusanturien lähtöparametrin spesifisyys, joka esitetään kaksiulotteisten fysikaalisten suureiden (tapauksessamme kapasitanssien) dimensioton suhteena, antaa aiheen kutsua niitä suhdeantureiksi. Kaksikapasitanssianturia käytettäessä mittauslaite ei välttämättä sisällä lainkaan vakiokapasitanssimittauksia, mikä lisää mittaustarkkuutta.

Lineaarisen siirtymän enkooderit

Mitattavia ja ohjattavia ei-sähköisiä suureita on monia ja erilaisia. Merkittävä osa niistä on lineaarisia ja kulmasiirtymiä. Perustuu kondensaattoriin sähkökenttä kaksi päätyyppiä kapasitiivisia siirtymäantureita voidaan luoda tasaisesti työrakoon:

• vaihtelevalla elektrodialueella;

• jossa on säädettävä rako elektrodien välillä.

On ilmeistä, että ensimmäiset ovat kätevämpiä suurten siirtymien (yksiköiden, kymmenien ja satojen millimetrien) mittaamiseen ja jälkimmäiset pienten ja erittäin pienten siirtymien mittaamiseen (millimetrin osat, mikrometrit ja vähemmän).

Kulmaanturit

Kulmasiirtymäkapasitiiviset anturit ovat periaatteessa samanlaisia ​​kuin lineaarisiirtymäkapasitiiviset muuntimet, ja muuttuvan alueen anturit sopivat paremmin myös ei liian pienille mittausalueille (asteyksiköistä alkaen) ja muuttuvakulmaisille kapasitiivisille antureille. voidaan käyttää menestyksekkäästi pienten ja erittäin pienten kulmasiirtymien mittaamiseen. Tyypillisesti kulmasiirtymiin käytetään moniosaisia ​​antureita, joissa on muuttuva kondensaattorilevypinta-ala.

Tällaisissa antureissa yksi kondensaattorielektrodeista on kiinnitetty kohteen akseliin, ja pyörimisen aikana se siirtyy kiinteään kohtaan, mikä muuttaa kondensaattorilevyjen limitysaluetta. Tämä puolestaan ​​aiheuttaa kapasitanssin muutoksen, jonka mittauspiiri sieppaa.

Inlinometrit

Kaltevuusmittari (kallistusanturi) on differentiaalinen kapasitiivinen kallistusanturi, joka sisältää kapselin muotoisen anturielementin.

Kapasitiivinen kaltevuusmittari

Kapseli koostuu alustasta, jossa on kaksi eristävällä kerroksella päällystettyä litteää elektrodia 1, ja alustaan ​​hermeettisesti kiinnitetystä rungosta 2. Rungon sisäontelo on osittain täytetty johtavalla nesteellä 3, joka on sähköä johtavalla nesteellä 3. herkkä elementti.Yhteinen elektrodi muodostaa differentiaalikondensaattorin litteiden elektrodien kanssa. Anturin lähtösignaali on verrannollinen differentiaalikondensaattorin kapasitanssin arvoon, joka on lineaarisesti riippuvainen kotelon asennosta pystytasossa.

Inklinometri on suunniteltu siten, että lähtösignaalilla on lineaarinen riippuvuus kaltevuuskulmasta toisessa ns. työstötasossa, eikä se käytännössä muuta lukemia toisessa (ei-työtasossa), kun taas sen signaali on heikosti riippuvainen lämpötilasta muutoksia. Tason sijainnin määrittämiseksi avaruudessa käytetään kahta kaltevuusmittaria, jotka sijaitsevat 90 ° kulmassa toisiinsa nähden.

Pienet kaltevuusmittarit, joiden sähköinen lähtösignaali on verrannollinen anturin kaltevuuskulmaan, ovat suhteellisen uusia laitteita. Niiden suuri tarkkuus, minikoko, siirrettävien mekaanisten yksiköiden puute, helppo asennus työmaalle ja alhaiset kustannukset tekevät niistä suositeltavaa käyttää paitsi rullausantureina myös kulmaanturien korvaamista niillä, ei vain kiinteinä vaan myös liikkuvina. esineitä.

Kapasitiiviset nestetason anturit

Kapasitiivinen lähetin johtamattoman nesteen tason mittaamiseen koostuu kahdesta rinnakkain kytketystä kondensaattorista

Paineanturit

Yksi kapasitiivisen paineanturin perusmalleista on yksi staattori, jota käytetään absoluuttisen paineen mittaamiseen (sähköiset paineanturit).

Tällainen anturi koostuu metallikennosta, joka on jaettu kahteen osaan tiukasti venytetyllä litteällä metallikalvolla, jonka toisella puolella on rungosta eristetty kiinteä elektrodi.Kalvoelektrodi muodostaa muuttuvan kapasitanssin, joka sisältyy mittauspiiriin. Kun paine on yhtä suuri kalvon molemmilla puolilla, anturi on tasapainossa. Painemuutos yhdessä kammioista muuttaa kalvon muotoa ja muuttaa kapasitanssia, joka on kiinnitetty mittauspiirillä.

Kahden aseman (differentiaali) mallissa kalvo liikkuu kahden kiinteän levyn välillä ja vertailupaine syötetään toiseen kahdesta kammiosta, joka antaa suoran (yli- tai paine-eron) mittauksen pienimmällä virheellä.