Емкостные датчики (бесконтактные выключатели). Устройство и принцип работы

Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Наиболее часто емкостные датчики применяют для измерений меняющихся давления или уровня, точных измерений механических перемещений и т. п.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Устройство емкостного датчика

Емкocтный бecконтакный датчик функционирует следующим образом:

1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определени реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn.



Зависимость реального расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта er

Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов:

Материал - er

Аммиак........................................16
Аралдит.......................................3,6
Бакелит.......................................3,6
Бензол.........................................2,3
Бумага.........................................2,3
Бумага промасленная............4,0
Вода.............................................80
Винипласт...................................4,0
Воздух..........................................1,0
Гетинакс......................................4,5
Древесина..................................2-7
Компаунд кабельный..............2,5
Керосин.......................................2,2
Мрамор........................................8,0
Масло трансформаторное......2,2
Нефть...........................................2,2
Оргстекло....................................3,2
Полиамид....................................5,0
Парафин......................................2,2
Кварцевый песок.......................4,5
Кварцевое стекло......................3,7
Поливинилхлорид.....................2,9
Полипропилен...........................2,3
Полистирол................................3,0
Полиэтилен................................2,3
Резина мягкая...........................2,5
Резина силиконовая................2,8
Слюда..........................................6,0
Скипидар....................................2,2
Спирт этиловый........................25,8
Стеклотекстолит.......................5,5
Стекло.........................................5,0
Тальк...........................................1,6
Текстолит....................................7,5
Фторопласт (Тефлон)..............2,0
Фарфор........................................4,4
Целлулоид..................................3,0
Цемент........................................2,0
Эбонит.........................................4,0
Электрокартон..........................4,0
Толуол.........................................2,4
Фанера........................................4,0

Особенности эксплуатации

При применении емкостных выключателей важно защититься от ложных срабатываний, которые могут быть вызваны, например, атмосферными осадками (налипание снега), технологическими жидкостями и др. (случайное прикосновение оператора к выключателю также вызовет его срабатывание). Чтобы скомпенсировать влияние осадков, пыли (при производстве стройматериалов), защитных перегородок т.п., введена регулировка чувствительности выключателя встроенным Разнообразие объектов воздействия, вызывающих срабатывание емкостных датчики, обуславливает широкий областей, в которых они применяются. 

Наибольший эффект достигается при использовании в системах:
- контроля уровня наполнения резервуаров, емкостей, контейнеров сыпучими и жидкими материалами;
- контроля уровня содержимого в упаковке, в таре;
- сигнализации разрыва лент;
- счета и позиционирования объектов любого рода.



Контроль уровня сыпучих веществ емкостными датчиками



Контроль содержимого упаковки и счет тары емкостными датчиками



Контроль разрыва ленты емкостными датчиками



Контроль позиционирования объекта емкостными датчиками

Возможно применение емкостных датчиков в пищевой и в химической отраслях промышленности. При этом для исключения непосредственного контакта активной поверхности выключателя с пищевыми продуктами или с химически агрессивными средами, можно рекомендовать использовать защитную диэлектрическую перегородку, изготовленную из соответствующих материалов. При необходимости обнаружения веществ и материалов, находящихся за металлической стенкой, в ней следует выполнить окно, закрытое диэлектрической перегородкой, перед которой устанавливают емкостный выключатель. Толщина перегородки должна быть значительно меньше расстояния воздействия выключателя, а диэлектрик должен иметь малую диэлектрическую проницаемость er.