Savremena industrija, kao i svakodnevna ljudska aktivnost, ne mogu se zamisliti bez svih vrsta elektronskih uređaja. Pomažu nam u svemu, a neke tehnološke operacije se bez njih nikako ne mogu izvoditi. Kapacitivni senzor bi takođe trebalo da se odnosi na takve "pomoćnike".
Ovo je naziv pretvarača napravljenih prema parametarskom tipu. Mjerenje određene zapremine kod takvih uređaja vrši se zbog fluktuacija kapacitivnosti pri promjeni nekih važnih parametara. Jednostavno rečeno, promjena kapacitivnosti kondenzatora se procjenjuje pod uticajem nekih eksternih faktora.
Kako radi kapacitivni senzor
To su kapacitivni senzori. Princip njihovog rada nije tako komplikovan, ali da biste ga razumjeli morate nešto znati. Prvo, prisjetimo se principa određivanja kapacitivnosti kondenzatora. Ova radnja se izražava pomoću sljedeće formule:
S=εεₒS/δ.
Ovaj izraz je mnogima poznat iz školskog kursa fizike, ali ne bi škodilo da osvježite pamćenje i zapamtite šta svaka od varijabli znači:
- S je površina ploče kondenzatora.
- Ε je relativna permeabilnost dielektričnog materijala korištenog u konstrukciji kondenzatora.
- εₒ - ovako je uobičajeno u fizici označavati permitivnost vakuuma.
- δ - ili debljina dielektrične ploče, ili razmak 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 direktno na propusnost materijala koji se koristi u proizvodnji. Shodno tome, izbor određene vrijednosti zavisi isključivo od liste zadataka koje su dizajneri postavili za uređaj.
Dakle, možete čak i vlastitim rukama napraviti kapacitivni senzor, budući da je s konstruktivne tačke gledišta to običan ravni ili cilindrični kondenzator, čija jedna ploča stalno doživljava kontrolirano kretanje u prostoru, što vodi do promene 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 elektronskih uređaja intenzivno koristi za mjerenje ugaonih i linearnih kretanja objekata, izračunavanje veličine, primijenjenog rada, vlažnosti, koncentracije aktivne tvari i drugih karakteristika. Što se tiče konstruktivne strane pitanja,pomenuta instrumentacija je napravljena ravnoparalelno, u cilindričnim kućištima, sa pin elektrodama, sa zaptivkom od dielektričnog materijala i uopšte bez iste.
Ovako rade kapacitivni senzori. Princip rada nekih od njih potrebno je posebno detaljno poznavati. U ovom članku ćemo vam dati nekoliko formula koje bi vam mogle biti korisne.
Formule za opisivanje principa rada nekih tipova senzora
Senzor nivoa sa mogućom promjenom površine dielektričnih ploča može se prilično lako opisati pomoću sljedeće jednačine:
S=εεₒaH/δ.
Pod "X" u ovom slučaju se odnosi na dužinu preklapanja upotrijebljenih elektroda. Prema tome, "a" označava širinu ploča samog kondenzatora. Treba napomenuti da su ovakvi uređaji našli svoju primenu u raznim oblastima industrije, gde se koriste za najpreciznije merenje ugaonih veličina. Kapacitet pretvarača u ovom slučaju se nalazi kroz sljedeći izraz:
S=εεₒ(r₂- r₁)/2δ(φₒ-φ).
Da bi se precizno izmjerila osjetljivost, trebalo bi koristiti malo drugačiju formulu:
K=εεₒ(r₂- r₁)/2δ.
Hajde da shvatimo šta se podrazumeva pod varijablama koje su deo ovih jednačina:
- r₁ - unutrašnji radijus ploče kondenzatora;
- r₂ - vanjski radijus iste ploče;
- φ – trenutno izmjerena (trenutna) vrijednost ugla preklapanja;
- φₒ - početna vrijednost ugla 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, ovaj tip senzora nivoa se obično koristi za mjerenje izuzetno malih pomaka, čija vrijednost ne prelazi 0,1δₒ. Naravno, ovi uređaji su veoma traženi u preciznom inženjerstvu, gde i manja greška može dovesti do prilično ozbiljnih problema.
Gdje se mogu koristiti?
Oblasti njihove moguće primjene su izuzetno raznolike. Dakle, u gotovo svim industrijama možete pronaći operacije koje se kontroliraju pomoću ovih uređaja. Koriste se za kontrolu punjenja raznih rezervoara, a njihov sadržaj može biti tečan, rasuti ili gasovit (gas senzor).
Njihova rasprostranjenost u industriji i običnim ljudskim proizvodnim aktivnostima je veća, što je pouzdaniji i jednostavniji dizajn takvih uređaja. Zajedno, ove karakteristike su toliko dobre da se mogu koristiti čak iu neverovatno agresivnim uslovima skladišta naftnih tankera.
Pored toga, kapacitivni senzor se može koristiti kao granični prekidač na transportnoj liniji ili mašiniproizvodna radnja. Takođe je neophodno za što preciznije pozicioniranje raznih mehanizama.
Senzori blizine
Ali trenutno su posebno traženi senzori blizine, koji su napravljeni po potpuno istom principu. Raspon njihove upotrebe je još širi. To je zbog cijene uređaja i mogućnosti rada u gotovo svim vrstama industrije. Međutim, postoje tipične industrije u kojima su uređaji ovog tipa najtraženiji:
- Kontrola punjenja prozirnih plastičnih ili staklenih posuda tečnošću.
- Sličnu funkciju obavljaju i u proizvodnji prehrambenih proizvoda (uključujući i dječje), gdje se gotov proizvod pakuje u kontejnere od providnih materijala. Rad takve instrumentacije kao što je kapacitivni senzor goriva zasniva se na istom principu.
- Za kontrolu opasnih područja u kojima je moguć lom žice za namotaje.
- Nadgledanje sličnih mjesta na kojima bi se transportna traka mogla oštetiti.
- Kontrola po komadu vrste proizvedenog proizvoda (prebrojavanje limenki, flaša, pakovanja).
Nije ni čudo da su ovi elektronski 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 direktno proporcionalna kutu nagiba korištenog senzora.
Mostzajedničke glavne oblasti upotrebe ovih uređaja: sistemi nivelisanja platformi, određivanje ugiba i tehničkih deformacija različitih tipova potpornih greda, kao i najpreciznija kontrola nagiba automobilskih i železničkih koloseka čak iu fazi njihove izgradnje.
Osim toga, uz pomoć ovakvih uređaja određuju kotrljanje teških i drugih vozila, liftova i industrijskih bagera, a takođe saznaju i stepen ugaonog pomaka u odnosu na poljoprivredne i industrijske mašine ekstra velikih veličina.
Kapacitivni senzori nivoa goriva su veoma važni u naftnoj industriji. Koriste se čak i na supertankerima koji prevoze desetine i stotine hiljada tona prerađenih naftnih derivata u jednom putovanju. Ovi uređaji su izuzetno efikasni čak iu uslovima izuzetno obilnog stvaranja kondenzata i visokog stepena zaprašenosti u proizvodnoj prostoriji (isti senzor gasa).
Svoju primenu nalaze i u merenju veličine apsolutnog i relativnog nivoa pritiska, kao i debljine dielektričnog materijala, što je izuzetno važno u skoro svim industrijama gde se koriste zaista snažni kondenzatori.
Glavne prednosti kapacitivnih senzora
Treba napomenuti da kapacitivni senzor ima dosta prednosti u poređenju sa sličnim uređajima koji su napravljeni po malo drugačijim principima. Hajde da navedemo 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 nivoa goriva koji se koriste u važnim pogonima naftne industrije imaju izuzetno skromne dimenzije i najmanju moguću potrošnju električne energije. Uz sve ove karakteristike, odlikuje ih odličan nivo osjetljivosti, što je često nedostižno 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 kontakte (jedan strujni kolektor se vrlo retko koristi), što je izuzetno korisno za rad u uslovima velike prašine i vlage u prostoriji.
- Vek trajanja je izuzetno dug, uređaj više puta uspeva da "povrati" svoju nisku cenu. Shodno tome, kapacitivni senzor (čija je cijena u rasponu od 1200-1700 rubalja) je izuzetno isplativa kupovina.
- Potrebno je iznenađujuće malo truda da se pomeri pokretni deo instrumenta.
- Uređaj se veoma lako kombinuje sa skoro svim kategorijama opreme koja se koristi samo u industrijskim delatnostima.
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 konverzije (odnosno prijenosa) je uporedivnisko.
- Mala veličina i jednostavnost dizajna doprinose činjenici da se postavljaju prilično visoki zahtjevi za kvalitetom zaštitnih uređaja.
- Dobar kapacitivni senzor nivoa (i drugi slični mjerni uređaji) može efikasno raditi samo na frekvenciji koja je mnogo veća od standardne vrijednosti od 50 Hz.
Važne napomene
Ipak, nije sve loše. Mnogi proizvođači postižu odlične performanse zaštite senzora uz minimalne promjene dizajna. Što se tiče učestalosti upotrebe, u praksi pokazuju odlične rezultate na vrijednosti od 400 Hz, koja se široko koristi u industriji.
Već smo govorili o ispravnosti glavne formule samo ako se zanemari efekat ruba. Ali u isto vrijeme, korisno je znati da to zaista može imati negativan učinak samo ako je udaljenost između dielektričnih ploča usporediva s njihovim vlastitim dimenzijama. Osim toga, negativni učinak može se u velikoj mjeri izravnati jednostavnim korištenjem zaštitnog prstena. U ovom slučaju, granice uticaja efekta mogu se pomeriti daleko izvan granica primenjenih preklapanja.
Još jednom, isti senzori pritiska su izuzetni po svojoj izuzetnoj jednostavnosti, što omogućava stvaranje iznenađujuće stabilnih, izdržljivih i jeftinih dizajna. Ako odaberete ispravne geometrijske dimenzije korištenog dielektrika, onda ne morate previše brinuti o materijalima koji se koriste u proizvodnji takvog kondenzatora.
Tako se odabirom odgovarajuće vrste metala za izradu kućišta senzora praktički mogu zanemariti čak i jake temperaturne fluktuacije koje bi mogle dovesti do promjene kapacitivnosti uređaja i neadekvatnosti njegovih očitavanja. Naravno, to uopće ne eliminira potrebu da se senzori tlaka i drugi slični indikatori što pažljivije izoliraju od agresivnih čimbenika okoline. Uprkos njihovoj jednostavnosti, visoka vlažnost i visoki nivoi zračenja mogu imati izuzetno negativan uticaj na pouzdanost uređaja.
Klasifikacija senzora
Metode njihove proizvodnje koje se koriste u industriji omogućavaju podjelu svih proizvedenih tipova senzora u dvije velike grupe: jednokapacitetne i dvokapacitetne. Posljednja sorta se dijeli na diferencijalnu i poludiferencijalnu. Pogledajmo ih detaljnije.
Uređaj jednog kapaciteta. U ovom slučaju, krugovi kapacitivnih senzora su izuzetno jednostavni, jer je njihov glavni dio najčešći varijabilni kondenzator. Nažalost, čak i blago povišena vlažnost i temperatura imaju vrlo primjetan utjecaj na tačnost očitavanja. Zbog toga se često javljaju različiti kvarovi senzora. Da bi se izjednačila veličina takvih grešaka, potrebno je koristiti diferencirane strukture.
Dvokapacitivni senzor. Zapravo, on je tako diferencirana struktura. Vrlo često možete pronaći kapacitivni senzor nivoa napravljen upravo 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, jer je to jedini način za suzbijanje tzv. parazitskih kapacitivnosti.
Međutim, lako je zanemariti prilično složena kapacitivna senzorska kola u ovom slučaju, jer zauzvrat dobijate izuzetno precizan i osjetljiv uređaj.
Specifičan dizajn senzora
U mnogim slučajevima (sa aspekta dizajna) stvaranje ovakvih uređaja je prilično problematično. Ovo je posebno istinito kada je potrebno napraviti senzor s promjenjivim nivoom kapacitivnosti. Međutim, praksa pokazuje da se mnogi problemi gotovo u potpunosti rješavaju preciznom kalibracijom i visokim performansama materijala koji se koriste u proizvodnji. Proizvođači senzora sa dvostrukim kapacitetom često se suočavaju sa ovim poteškoćama.
Općenito, specifičnost ove vrste mjernih instrumenata leži u činjenici da se mogu predstaviti kao bezdimenzionalni odnos dvije fizičke veličine (kapacitivnosti), koje imaju tačan fizički izraz i vrijednost. Dakle, oni 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 zaista ekstremnim situacijama i uvjetima.
Karakteristike senzora linearnog pomaka
Sve neelektrične količine kojekoje se često zahtijevaju za kontrolu u industrijskim okruženjima, izuzetno su raznolike i višestruke. Značajan dio mjera koje podležu strogoj kontroli su ugaoni, pa čak i linearni pomaci različitih vrsta površina u prostoru. Ako koristite kondenzator, koji ima apsolutno ujednačeno električno polje u radnom razmaku, onda nije tako teško napraviti elektronske senzore sljedeće dvije vrste:
- Koja oblast elektrode će biti varijabilna.
- One koje imaju promjenjivi razmak između ovih elektroda.
Lako je shvatiti da je prvi tip najpogodniji za fiksiranje zaista velikih pokreta, dok se upotrebom drugog tipa 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, oni su gotovo potpuno identični tipu koji smo upravo razmatrali. Sličnost se očituje i u činjenici da senzore s promjenjivom površinom elektroda treba koristiti i za velika mjerenja, a s promjenjivim razmakom između samih elektroda - za mala. Takvi uređaji se po pravilu izrađuju višestruko, sa mogućnošću promjene površine kondenzatorskih ploča.
Da bi se to postiglo, prva elektroda je pričvršćena na pokretno vratilo, tokom čije rotacije mijenja svoj položaj u odnosu na drugu, što omogućava promjenu područja preklapanja dielektričnih ploča u kondenzator. Naravno, u ovom slučaju, promjena kapacitivnosti je fiksna.
Zaključci
Tako smo ispitali glavne karakteristike uređaja ovog nivoa, upoznali se s njihovim područjima primjene, karakteristikama dizajna, principima rada i mogućim tehničkim rješenjima. Kao što možete shvatiti iz članka, rasprostranjenost kapacitivnih senzora i njihova izuzetno velika popularnost zasnovani su na vrlo atraktivnoj cijeni takvih uređaja i njihovom dugom vijeku trajanja čak iu teškim uvjetima okoline.
Sve je to moguće zahvaljujući činjenici da su, sa konstruktivne tačke gledišta, sva ova brojila samo standardni kondenzatori, koje karakteriše pomalo neobičan način njihovog korišćenja. Međutim, možete sami saznati ako ponovo pogledate matematičke formule, koje općenito odražavaju principe rada instrumentacije.
