Sensors capacitius

Un sensor capacitiu s'anomena transductor de tipus paramètric on un canvi en el valor mesurat es converteix en un canvi en la capacitat.

Aplicacions de sensors capacitius

Les possibles aplicacions dels sensors capacitius són extremadament diverses. S'utilitzen en sistemes de regulació i control de processos industrials en gairebé totes les indústries. Els sensors capacitius s'utilitzen per controlar l'ompliment de dipòsits amb substàncies líquides, en pols o granulars, com ara interruptors de final de carrera en línies automatitzades, transportadors, robots, centres de mecanitzat, màquines de tall de metalls, en sistemes de senyalització, per al posicionament de diversos mecanismes, etc.

Actualment, els més estesos són els sensors de proximitat (presència), que, a més de la seva fiabilitat, també presenten un ampli ventall d'avantatges. Amb un cost relativament baix, els sensors de proximitat cobreixen una àmplia gamma de direccionalitat en la seva aplicació en totes les indústries. Les àrees típiques d'ús dels sensors capacitius d'aquest tipus són:

• senyalització per omplir envasos de plàstic o vidre;

• control del nivell d'ompliment dels envasos transparents;

• alarma de trencament de bobina;

• ajust de la tensió del cinturó;

• compte parcial de qualsevol mena, etc.

Els codificadors capacitius lineals i angulars són els dispositius més comuns, àmpliament utilitzats en enginyeria i transport, construcció i energia, en diversos complexos de mesura.

Dispositius relativament nous que han tingut un ús industrial generalitzat en els darrers anys s'han convertit en inclinòmetres capacitius de mida petita amb un senyal de sortida elèctric proporcional a l'angle d'inclinació del sensor... Les següents àrees d'aplicació dels inclinòmetres es poden considerar com a principals: ús en sistemes d'anivellament de plataformes, determinació de desviacions i deformacions de diversos tipus de suports i bigues, control dels angles d'inclinació de carreteres i vies de ferrocarril durant la seva construcció, reparació i explotació, determinació del rotllo d'automòbils, vaixells i robots submarins, polipasts i grues, excavadores, maquinària agrícola, determinació del desplaçament angular de diversos tipus d'objectes giratoris: eixos, rodes, mecanismes de caixa de canvis tant en objectes estacionaris com en moviment.

Els sensors de nivell capacitius s'utilitzen en sistemes de control, regulació i gestió de processos de producció a les indústries alimentàries, farmacèutiques, químiques i de refinació de petroli. Són efectius quan es treballa amb líquids, materials a granel, suspensions, substàncies viscoses (conductores i no conductores), així com en condicions de condensació, pols.

Els sensors capacitius també s'utilitzen en diverses indústries per mesurar la pressió absoluta i relativa, el gruix dels materials dielèctrics, la humitat de l'aire, la tensió, les acceleracions angulars i lineals, etc.

Avantatges dels sensors capacitius sobre altres tipus de sensors

Els sensors capacitius ofereixen una sèrie d'avantatges sobre altres tipus de sensors. Els seus avantatges inclouen:

• facilitat de producció, ús de materials barats per a la producció; - petita mida i pes; - baix consum d'energia; - alta sensibilitat;

• manca de contactes (en alguns casos, un col·lector actual);

• llarga vida útil;

• la necessitat de forces molt petites per moure la part mòbil del sensor capacitiu;

• facilitat per adaptar la forma del sensor a diferents tasques i dissenys;

Inconvenients dels sensors capacitius

Els desavantatges dels sensors capacitius inclouen:

• coeficient de transferència (conversió) relativament petit;

• alts requisits per a les peces de blindatge;

• la necessitat de treballar a una freqüència més alta (en comparació amb 50 Hz);

En la majoria dels casos, però, es pot aconseguir un blindatge suficient a causa del disseny del sensor, i la pràctica demostra que els sensors capacitius donen bons resultats a la freqüència àmpliament utilitzada de 400 Hz. Inherent condensadors l'efecte de vora només esdevé significatiu quan la distància entre les plaques és comparable a les dimensions lineals de les superfícies considerades. Aquest efecte es pot eliminar fins a cert punt mitjançant un anell protector, que permet desplaçar la seva influència més enllà dels límits de la superfície de les plaques realment utilitzades per a les mesures.

Els sensors capacitius destaquen per la seva senzillesa, que permet un disseny robust i fiable. Els paràmetres del condensador només depenen de les característiques geomètriques i no depenen de les propietats dels materials utilitzats, si aquests materials estan correctament seleccionats. Per tant, l'efecte de la temperatura sobre els canvis de superfície i l'espaiat entre les plaques pot ser insignificant si escolliu el grau de metall adequat per a les plaques i l'aïllament per a la seva fixació. Només queda protegir el sensor dels factors ambientals que poden deteriorar l'aïllament entre les plaques: pols, corrosió, humitat i radiacions ionitzants.

Les valuoses qualitats dels sensors capacitius (una petita quantitat de força mecànica necessària per moure la seva part mòbil, la capacitat d'ajustar la sortida del sistema de seguiment i l'alta precisió de funcionament) fan que els sensors capacitius siguin indispensables en dispositius on errors de només centèsimes i fins i tot. es permeten mil·lèsimes per cent.

Tipus de convertidors capacitius i les seves característiques de disseny

Normalment, un sensor capacitiu és un condensador pla o cilíndric, una de les plaques del qual experimenta un moviment controlat, provocant un canvi en la capacitat. Sense tenir en compte els efectes finals, la capacitat d'un condensador pla es pot expressar de la següent manera:

on ε La constant dielèctrica relativa del medi tancat entre les plaques, C i e - l'àrea de les plaques considerades i, en conseqüència, la distància entre elles.

Els transductors capacitius es poden utilitzar per mesurar diverses magnituds en tres direccions, depenent de la relació funcional de la magnitud no elèctrica mesurada amb els paràmetres següents:

• constant dielèctrica variable del medi ε;

• àrea de superposició de les plaques C;

• distància diferent entre les plaques e.

En el primer cas, es poden utilitzar transductors capacitius per analitzar la composició de la substància, ja que la constant dielèctrica és funció de les propietats de la substància. En aquest cas, el valor d'entrada natural del convertidor serà la composició de la substància que omple l'espai entre les plaques. Els transductors capacitius d'aquest tipus s'utilitzen especialment per mesurar el contingut d'humitat de sòlids i líquids, el nivell de líquid, així com per determinar les dimensions geomètriques d'objectes petits. En la majoria dels casos d'ús pràctic de transductors capacitius, el seu valor d'entrada natural és el desplaçament geomètric dels elèctrodes entre si.Basant-se en aquest principi, sensors de desplaçament lineal i angular, dispositius per mesurar forces, vibracions, velocitat i acceleració, sensors per sensors de proximitat, pressió i deformació (extensòmetres).

Classificació del sensor capacitiu

Pel que fa a la implementació, tots els transductors de mesura capacitius es poden dividir en sensors capacitius simples i capacitius dobles. Aquests últims són diferencials i semidiferencials.

Un únic sensor de capacitat té un disseny senzill i és un únic condensador variable. Els seus desavantatges inclouen una influència important de factors externs com la humitat i la temperatura.Per compensar aquests errors, apliqueu dissenys diferencials... El desavantatge d'aquests sensors en comparació amb els de capacitat única és la necessitat d'almenys tres (en lloc de dos) cables de connexió apantallats entre el sensor i el dispositiu de mesura per suprimir el tan- anomenades capacitats paràsites. Tanmateix, aquest inconvenient es compensa amb un augment significatiu de la precisió, l'estabilitat i l'ampliació del camp d'aplicació d'aquests dispositius.

En alguns casos, és difícil crear un sensor capacitiu diferencial per raons de disseny (això és especialment cert per als sensors diferencials de buit variable). Tanmateix, si al mateix temps es col·loca un condensador exemplar a la mateixa carcassa amb un de treball i són tan idèntics com sigui possible en disseny, dimensions i materials utilitzats, llavors hi haurà una sensibilitat molt menor de tot el dispositiu a influències desestabilitzadores externes. assegurat. En aquests casos, podem parlar d'un sensor capacitiu semi-diferencial, que, com el diferencial, fa referència a un de bicapacitiu.

L'especificitat del paràmetre de sortida dels sensors de dos volums, que es representa com una relació adimensional de magnituds físiques bidimensionals (en el nostre cas, capacitats), dóna motius per anomenar-los sensors de relació. Quan s'utilitzen sensors de capacitat dual, és possible que el dispositiu de mesura no contingui cap mesura de capacitat estàndard, la qual cosa contribueix a augmentar la precisió de la mesura.

Codificadors de desplaçament lineal

Les magnituds no elèctriques a mesurar i controlar són moltes i variades. Una part important d'ells són desplaçaments lineals i angulars. Basat en un condensador que camp elèctric Es poden crear de manera uniforme dos tipus principals de sensors de desplaçament capacitius a la bretxa de treball:

• amb àrea d'elèctrode variable;

• amb un espai variable entre els elèctrodes.

És força evident que els primers són més convenients per mesurar grans desplaçaments (unitats, desenes i centenars de mil·límetres), i els segons per mesurar petits i ultrapetits desplaçaments (parts d'un mil·límetre, micròmetres i menys).

Codificadors angulars

Els transductors capacitius de desplaçament angular són, en principi, similars als transductors capacitius de desplaçament lineal, i els sensors d'àrea variable també són més adequats en el cas de rangs de mesura no massa petits (a partir d'unitats de graus) i sensors capacitius d'angle variable. es pot utilitzar amb èxit per mesurar desplaçaments angulars petits i ultra-petits. Normalment, per als desplaçaments angulars s'utilitzen transductors multisecció amb àrea de placa de condensador variable.

En aquests sensors, un dels elèctrodes del condensador està connectat a l'eix de l'objecte i durant la rotació es desplaça respecte a l'estacionari, canviant l'àrea de superposició de les plaques del condensador. Això, al seu torn, provoca un canvi de capacitat que és capturat pel circuit de mesura.

Inclinòmetres

L'inclinòmetre (sensor d'inclinació) és un transductor d'inclinació capacitiu diferencial que inclou un element sensor en forma de càpsula.

Inclinòmetre capacitiu

La càpsula està formada per un substrat amb dos elèctrodes plans 1, recoberts amb una capa aïllant, i un cos 2, fixat hermèticament al substrat. La cavitat interna del cos s'omple parcialment amb un líquid conductor 3, que és l'elèctrode comú de un element sensible.L'elèctrode comú forma un condensador diferencial amb els elèctrodes plans. El senyal de sortida del sensor és proporcional al valor de la capacitat del condensador diferencial, que depèn linealment de la posició de la carcassa en el pla vertical.

L'inclinòmetre està dissenyat per tenir una dependència lineal del senyal de sortida de l'angle d'inclinació en un pla de treball denominat i pràcticament no canvia les lectures en l'altre pla (no de treball), mentre que el seu senyal depèn feblement de la temperatura. canvis. Per determinar la posició del pla en l'espai, s'utilitzen dos inclinòmetres situats en un angle de 90° entre si.

Els inclinòmetres de mida petita amb un senyal elèctric de sortida proporcional a l'angle d'inclinació del sensor són dispositius relativament nous. La seva alta precisió, mida en miniatura, la manca d'unitats mecàniques mòbils, la facilitat d'instal·lació al lloc i el baix cost fan que sigui aconsellable utilitzar-los no només com a sensors de rotllo, sinó també substituir els sensors d'angle per ells, no només estacionaris sinó també en moviment. objectes.

Sensors capacitius de nivell de líquid

Un transmissor capacitiu per mesurar el nivell d'un líquid no conductor consta de dos condensadors connectats en paral·lel.

Sensors de pressió

Un dels dissenys bàsics d'un transductor de pressió capacitiu és un únic estator, que s'utilitza per mesurar la pressió absoluta (sensors elèctrics de pressió).

Aquest sensor consisteix en una cèl·lula metàl·lica dividida en dues parts per un diafragma metàl·lic pla ben estirat, a un costat del qual hi ha un elèctrode fix aïllat del cos.L'elèctrode de diafragma forma una capacitat variable, que s'inclou al circuit de mesura. Quan la pressió és igual a ambdós costats del diafragma, el transductor està equilibrat. Un canvi de pressió en una de les cambres deforma el diafragma i modifica la capacitat, que és fixada pel circuit de mesura.

En un disseny de dues estacions (diferencial), el diafragma es mou entre dues plaques fixes i es subministra una pressió de referència a una de les dues cambres, que proporciona una mesura directa de la pressió diferencial (excés o diferencial) amb el menor error.