Ёмістнай датчык: прылада і прынцып працы. Ёмістныя датчыкі: прымяненне

Сучасную прамысловасць, ды і паўсядзённае чалавечую дзейнасць чалавека таксама, немагчыма сабе ўявіць без рознага роду электронных прыбораў. Яны дапамагаюць нам ва ўсім, а некаторыя тэхналагічныя аперацыі без іх выканаць наогул не атрымаецца. Да такіх "памочнікам" варта аднесці і ёмістнай датчык.

Так называюць пераўтваральнікі, вырабленыя па параметрычнага тыпу. Вымярэнне нейкага аб'ёму такімі прыборамі ажыццяўляецца дзякуючы ваганняў ёмістага супраціву пры змене нейкіх важных параметраў. Прасцей кажучы, ацэньваецца змена ёмістасці кандэнсатара пад уплывам нейкіх вонкавых фактараў.

Прынцып працы ёмістага датчыка

Вось што такое ёмістныя датчыкі. Прынцып працы іх не так складзены, але для яго разумення трэба сёе-тое ведаць. Для пачатку ўспомнім прынцып вызначэння ёмістасці кандэнсатара. Выяўляецца гэта дзеянне пры дапамозе наступнай формулы:

З = εεₒS / δ.

Дадзены выраз шматлікім вядома са школьнага курсу фізікі, але не перашкаджала б асвяжыць памяць і ўспомніць, што мае на ўвазе кожная з зменных:

• S - плошча кандэнсатарнай пласціны.
• Ε - адносная пранікальнасць дыэлектрычнага матэрыялу, выкарыстанага ў канструкцыі кандэнсатара.
• εₒ - так у фізіцы прынята пазначаць дыэлектрычную пранікальнасць вакууму.
• δ - так можа пазначацца або таўшчыня пласціны дыэлектрыка, ці ж адлегласць паміж некалькімі пластамі матэрыялу.

Такім чынам, з прыведзенай формулы вынікае, што змяніць ёмістасць кандэнсатара лёгка. Дастаткова неяк падзейнічаць на плошчу пласціны дыэлектрычнага матэрыялу, на адлегласць паміж пласцінамі або непасрэдна на пранікальнасць выкарыстанага пры вытворчасці матэрыялу. Адпаведна, выбар канкрэтнай велічыні залежыць выключна ад пераліку задач, якія канструктары паставілі перад прыборам.

Такім чынам, можна нават зрабіць ёмістнай датчык сваімі рукамі, так як з канструктыўнай пункту гледжання гэта - звычайны плоскі або цыліндрычны кандэнсатар, адна з пласцін якога пастаянна адчувае кантраляванае перамяшчэнне ў прасторы, што прыводзіць да змены ёмістасці. Варта памятаць, што прыведзеная вышэй формула дакладная толькі ў тым выпадку, калі вы цалкам заняхайваеце краявымі эфектамі. Мы яшчэ пагаворым пра гэта ў заключнай частцы нашага артыкула.

Варта ведаць, што такога роду электронныя прыборы інтэнсіўна выкарыстоўваюцца для вымярэння кутніх і лінейных перасоўванняў прадметаў, вылічэнні памераў, прыкладваў працы, вільготнасці, канцэнтрацыі дзеючага рэчыва і іншых характарыстык. Што тычыцца канструктыўнай боку пытання, то згаданыя стосы вырабляюць плоскапаралельных, у цыліндрычных карпусах, са штыревую электродамі, з пракладкай з дыэлектрычнага матэрыялу і зусім без яго.

Вось як функцыянуюць ёмістныя датчыкі. Прынцып працы некаторых з іх трэба ведаць асабліва падрабязна. У рамках гэтага артыкула мы прывядзем некалькі формул, якія могуць апынуцца для вас карыснымі.

Формулы для апісання прынцыпу дзеяння некаторых відаў датчыкаў

Датчык ўзроўню з магчымым змяненнем плошчы дыэлектрычных пласцін можа быць даволі лёгка апісаны пры дапамозе наступнага раўнання:

З = εεₒаХ / δ.

Пад «Х» у дадзеным выпадку разумеецца даўжыня перакрыцця выкарыстоўваюцца электродаў. Адпаведна, «а» пазначае шырыню пласцін самага кандэнсатара. Трэба заўважыць, што такія прыборы знайшлі сваё прымяненне ў самых розных галінах прамысловасці, дзе іх выкарыстоўваюць для дакладнага вымярэння кутніх велічынь. Ёмістасць пераўтваральніка ў такім выпадку знаходзяць дапамогай наступнага выказвання:

З = εεₒ (r₂- r₁) / 2δ * (φₒ-φ).

Каб дакладна вымераць адчувальнасць, варта ўжываць некалькі іншую формулу:

K = εεₒ (r₂- r₁) / 2δ.

Давайце разбярэмся, што маецца на ўвазе пад тымі зменнымі, якія ўваходзяць у склад дадзеных раўнанняў:

• r₁ - унутраны радыус пласціны кандэнсатара;
• r₂ - вонкавы радыус ўсё той жа пласціны;
• φ - якое вымяраецца ў дадзены момант (бягучае) значэнне кута перакрыцця;
• φₒ - пачатковае значэнне кута перакрыцця.

Нарэшце, разбяром матэматычнае выраз, якое апісвае прынцып працы ёмістага вымяральніка з змяняецца паветраным зазорам:

З = εεₒS / (δₒ-Х).

Няцяжка здагадацца, што пад δₒ разумеецца першасны зазор, літарай ж Х пазначаюць велічыню перамяшчэння пласціны. Звярніце ўвагу! Так як статычныя характарыстыкі асабліва не лінейная, звычайна датчык ўзроўню такога тыпу ўжываюць для вымярэння надзвычай малых перасоўванняў, велічыня якіх не перавышае 0,1δₒ. Натуральна, гэтыя прыборы вельмі запатрабаваныя ў дакладнай машынабудаванні, дзе нават меншая хібнасць можа прывесці да ўзнікнення досыць сур'ёзных праблем.

Дзе яны могуць быць выкарыстаныя?

Вобласці іх магчымага прымянення надзвычай разнастайныя. Так, практычна ва ўсіх галінах прамысловасці можна сустрэць аперацыі, якія кантралююцца менавіта гэтымі прыборамі. Іх ужываюць для кантролю над запаўненнем розных рэзервуараў, прычым іх змесціва можа быць вадкім, сыпкім ці ж газападобных (датчык газу).

Распаўсюджанасць іх у прамысловасці і звычайнай вытворчай дзейнасці чалавека тым вышэй, чым надзейней і прасцей канструкцыя такіх прыбораў. Па сукупнасці гэтых прыкмет яны настолькі добрыя, што іх можна выкарыстоўваць нават у неверагодна агрэсіўных умовах трумаў нафтаналіўных танкераў.

Акрамя таго, ёмістнай датчык можа быць выкарыстаны ў якасці канчатковага выключальніка на канвеернай лініі або станку вытворчага цэха. Неабходны ён і для найбольш дакладнага пазіцыянавання розных механізмаў.

датчыкі набліжэння

Але ў цяперашні час асаблівым попытам карыстаюцца датчыкі набліжэння, якія выкананы па дакладна такім жа прынцыпе. Спектр іх выкарыстання яшчэ шырэй. Звязана гэта з капейкавай коштам прылад і магчымасцю працы практычна ва ўсіх відах прамысловасці. Зрэшты, маюцца тыповыя галіны, дзе прыборы гэтага тыпу з'яўляюцца найбольш запатрабаванымі:

• Кантроль над запаўненнем вадкасцю празрыстых ёмістасцяў з пластыка або шкла.
• Аналагічная функцыя выконваецца імі на вытворчасці прадуктаў харчавання (у тым ліку і дзіцячых), дзе гатовы тавар расфасоўваць ў ёмістасці з празрыстых матэрыялаў. На гэтым жа прынцыпе заснавана і праца такога стос, як ёмістнай датчык паліва.
• Для кантролю небяспечных участкаў, дзе магчымы абрыў обмоточных правадоў.
• Кантроль аналагічных месцаў, дзе можа быць пашкоджана якая нясе стужка канвеера.
• Паштучна кантроль выпускаецца тыпу прадукцыі (пералік слоікаў, бутэлек, упаковак).

Нядзіўна, што гэтыя электронныя прыборы з'яўляюцца найбольш распаўсюджанай ў дакладнай машынабудаванні, энергетыцы і многіх іншых галінах разнавіднасцю датчыкаў.

Инклинометры

Прыборамі, якія сталі параўнальна распаўсюджанымі толькі ў апошнія гады, з'яўляюцца малагабарытныя ёмістныя инклинометры, якія забяспечваюць перадачу электрычнага выхаднога сігналу, велічыня якога прама прапарцыйная куце нахілу выкарыстоўванага датчыка.

Найбольш распаўсюджаныя асноўныя галіне выкарыстання дадзеных прыбораў: сістэмы выраўноўвання платформаў, вызначэнне велічыні прагіну і тэхнічнай дэфармацыі рознага роду апорных бэлек, а таксама дакладны кантроль ўхілу аўтамабільных, чыгуначных шляхоў яшчэ на этапе іх будаўніцтва.

Акрамя таго, з дапамогай такіх прылад вызначаюць нахіл вялікагрузных аўтамабіляў і іншага транспарту, пад'ёмнікаў і прамысловых экскаватараў, а таксама высвятляюць ступень вуглавога перамяшчэння ў дачыненні да сельскагаспадарчых і прамысловых машын асабліва вялікага памеру.

Вельмі важныя ёмістныя датчыкі ўзроўню паліва ў нафтавай прамысловасці. Яны выкарыстоўваюцца нават на супэртанкераў, якія за адзін рэйс перавозяць дзясяткі і сотні тысяч тон перапрацаваных нафтапрадуктаў. Надзвычай эфектыўныя гэтыя прыборы нават ва ўмовах утварэння вельмі багатага кандэнсату і высокай ступені запыленасці вытворчага памяшкання (той жа датчык газу).

Знаходзяць яны сваё прымяненне і пры вымярэнні велічыні абсалютнага і адноснага ўзроўню ціску, а таксама таўшчыні дыэлектрычнага матэрыялу, што надзвычай важна практычна ва ўсіх галінах прамысловасці, дзе выкарыстоўваюцца сапраўды магутныя кандэнсатары.

Асноўныя перавагі ёмістных датчыкаў

Неабходна заўважыць, што ёмістнай датчык валодае вялікай колькасцю пераваг, калі параўноўваць яго з аналагічнымі прыборамі, якія выкананы па некалькі іншым прынцыпам. Давайце пералічым асноўныя вартасці гэтых КИПов:

• У вырабе яны надзвычай простыя. Акрамя таго, у іх вытворчасці могуць быць выкарыстаны самыя простыя і танныя матэрыялы. Нават ёмістныя датчыкі ўзроўню паліва, якія выкарыстоўваюцца на важных аб'ектах нафтавай прамысловасці, маюць вельмі сціплыя габарыты, валодаюць мінімальна магчымым узроўнем спажывання электрычнай энергіі. Пры ўсіх гэтых характарыстыках яны адрозніваюцца цудоўным узроўнем адчувальнасці, які нярэдка недасяжны і для больш дарагіх прыбораў.
• У прынцыпе, можна зрабіць ёмістнай датчык сваімі рукамі, выкарыстоўваючы ў якасці яго асновы любы больш-менш надзейны і якасны прамысловы кандэнсатар.
• Кантактаў у іх няма (вельмі рэдка выкарыстоўваецца адзін токосъемник), што вельмі спрыяльна адбіваецца на працы ва ўмовах высокай запыленасці і вільготнасці ў памяшканні.
• Тэрмін эксплуатацыі надзвычай доўгі, прыбор шматкроць паспявае «адбіць» сваю невысокі кошт. Адпаведна, датчык ёмістнай (кошт якога знаходзіцца ў межах 1200-1700 рублёў) з'яўляецца надзвычай выгадным набыццём.
• Для перасоўвання рухомай часткі прыбора патрабуецца прыкласці дзіўна мала намаганняў.
• Прылада вельмі лёгка спалучаецца практычна з усімі катэгорыямі абсталявання, якое толькі выкарыстоўваецца ў прамысловай дзейнасці.

адмоўныя моманты

На жаль, кожны ёмістнай датчык мае пэўныя недахопы, якія ў той ці іншай меры абцяжарваюць паўсюднае выкарыстанне дадзенага тыпу абсталявання. Пералічым іх больш падрабязна:

• Каэфіцыент пераўтварэння (гэта значыць перадачы) параўнальна невысокі.
• Малыя памеры і прастата канструкцыі спрыяюць таму, што вылучаюцца даволі высокія патрабаванні да якасці экранавання прыбораў.
• Добры ёмістнай датчык ўзроўню (і іншыя падобныя вымяральныя прыборы) можа эфектыўна працаваць толькі на частаце, намнога большай за стандартнае значэнне ў 50 Гц.

важныя заўвагі

Зрэшты, усё не так дрэнна. Многія вытворцы дамагаюцца выдатных характарыстык экранавання датчыкаў за кошт ўнясення мінімальных змяненняў у іх канструкцыю. Што ж тычыцца частоты выкарыстання, то на практыцы яны паказваюць выдатныя вынікі пры шырока распаўсюджаным у прамысловасці значэнні ў 400 Гц.

Мы ўжо казалі пра вернасць асноўнай формулы толькі пры ўмове ігнаравання краявога эфекту. Але пры гэтым карысна ведаць, што ён сапраўды можа аказаць негатыўны ўплыў толькі толькі ў тым выпадку, калі адлегласць паміж пласцінамі дыэлектрыка супастаўна з іх уласнымі памерамі. Акрамя таго, негатыўны эфект можна ў значнай ступені нівеліраваць, папросту выкарыстаўшы ахоўнае кольца. У гэтым выпадку межы ўплыву эфекту атрымоўваецца перанесці далёка за межы выкарыстоўваюцца абкладак.

Яшчэ раз заўважым, што тыя ж датчыкі ціску адрозніваюцца выдатнай прастатой, якая дазваляе ствараць на дзіва ўстойлівыя, трывалыя і танныя канструкцыі. Калі правільна падабраць геаметрычныя памеры выкарыстоўванага дыэлектрыка, то аб якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці такога кандэнсатара матэрыялах можна асоба не турбавацца.

Такім чынам, правільна падабраўшы марку металу для вырабу корпуса датчыка, можна практычна занядбаць нават моцнымі тэмпературнымі ваганнямі, якія б маглі прывесці ў змене ёмістасці прыбора і неадэкватнасці яго паказанняў. Вядома ж, гэта зусім не адмяняе неабходнасці максімальна старанна ізаляваць датчыкі ціску і іншыя падобныя індыкатары ад агрэсіўных фактараў навакольнага асяроддзя. Нягледзячы на іх прастату, высокая вільготнасць і павышаны ўзровень радыяцыі могуць вельмі негатыўна адбіцца на надзейнасці прыбора.

класіфікацыя датчыкаў

Якія выкарыстоўваюцца ў прамысловасці спосабы іх вытворчасці дазваляюць падзяліць усе выпускаюцца тыпы датчыкаў на дзве вялікія групы: одноемкостные і двухъемкостные. Апошняя разнавіднасць падзяляецца на дыферэнцыяльныя і полудифференциальные. Расмотрим іх больш падрабязна.

Одноемкостный прыбор. У гэтым выпадку схемы ёмістных датчыкаў простыя да крайнасці, так як асноўны іх часткай з'яўляецца самы звычайны кандэнсатар з зменнай ёмістасцю. На жаль, нават злёгку падвышаная вільготнасць і тэмпература аказваюць на дакладнасць паказанняў вельмі адчувальнае ўплыў. З-за гэтага нярэдка ўзнікаюць розныя няспраўнасці датчыкаў. Каб нівеліраваць велічыні такіх хібаў, даводзіцца выкарыстоўваць дыферэнцыраваныя канструкцыі.

Двухъемкостный датчык. Уласна, ён-то і з'яўляецца такой дыферэнцыраванай структурай. Вельмі часта можна сустрэць ёмістнай датчык ўзроўню, выраблены менавіта па такой схеме. Гэтыя прыборы пазбаўленыя ад асноўных недахопаў папярэдняй мадэлі, але маюць уласныя слабыя бакі. Найбольш значным іх недахопам з'яўляецца неабходнасць выкарыстання двух-трох экранаваных правадоў паміж самім прыладай і паверхняй, бо толькі такім спосабам можна здушыць так званыя паразітныя ёмістасці.

Зрэшты, на даволі складаныя схемы ёмістных датчыкаў ў гэтым выпадку лёгка не звяртаць увагі, так як наўзамен вы атрымліваеце надзвычай дакладны і адчувальны прыбор.

Спецыфіка канструявання датчыкаў

У многіх выпадках (з канструктарскай пункту гледжання) стварэнне такіх прыбораў з'яўляецца даволі праблематычным. Асабліва гэта актуальна тады, калі патрабуецца стварыць датчык з пераменным узроўнем ёмістасці. Зрэшты, практыка паказвае, што многія праблемы практычна цалкам вырашаюцца дакладнай каліброўкай і высокімі характарыстыкамі якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці матэрыялаў. Часцей за ўсё з гэтымі цяжкасцямі даводзіцца сутыкацца вытворцам двухъемкостных датчыкаў.

Наогул спецыфіка гэтага тыпу вымяральных прыбораў заключаецца ў тым, што іх можна прадставіць у выглядзе Беспамерны суадносін двух фізічных велічынь (ёмістасцяў), якія маюць дакладнае фізічнае выраз і значэнне. Так што іх можна смела называць «датчыкамі адносіны». Перавага гэтых прыбораў (велізарны іх плюс!) Складаецца ў тым, што яны ўвогуле могуць не мець у сваёй канструкцыі нейкіх эталонных мер, што выдатна павышае іх надзейнасць у сапраўды экстрэмальных сітуацыях і ўмовах.

Характарыстыка датчыкаў лінейных перасоўванняў

Усе неэлектрычная велічыні, якія часта патрабуецца кантраляваць у прамысловых умовах, надзвычай разнастайныя і шматгранныя. Значную частку мер, якія падлягаюць строгаму кантролю, складаюць кутнія і нават лінейныя перамяшчэння рознага роду паверхняў ў прасторы. Калі выкарыстоўваць кандэнсатар, у якога абсалютна раўнамернае электрычнае поле ў працоўным зазоры, то не так ужо і цяжка зрабіць электронныя датчыкі двух наступных тыпаў:

• У якіх плошча электродаў будзе зменнай.
• Тыя, якія маюць пераменны зазор паміж гэтымі электродамі.

Няцяжка зразумець, што першы тып найбольш падыходзіць для фіксацыі сапраўды вялікіх перасоўванняў, у той час як пры дапамозе другой разнавіднасці можна заўважаць нават такія перамяшчэння цела ў прасторы, велічыня якіх роўная ўсяго толькі некалькі мікронаў!

Датчыкі для вызначэння кутніх перасоўванняў

Увогуле-то, па канструкцыі і прызначэнню яны практычна цалкам ідэнтычныя толькі што разгледжаных намі тыпу. Падабенства выяўляецца і ў тым, што датчыкі з зменнай плошчай электродаў таксама варта выкарыстоўваць для вялікіх вымярэнняў, а з пераменным адлегласцю паміж самімі электродамі - для малых. Як правіла, такія прыборы робяцца многосекционными, з магчымасцю змены плошчы абкладак кандэнсатара.

Каб дасягнуць гэтага, першы электрод мацуецца да рухомага вале, пры кручэнні якога ён змяняе сваё становішча адносна другога, што забяспечвае змена плошчы перакрыцці пласцін дыэлектрыка ў кандэнсатары. Натуральна, што пры гэтым фіксуецца змена ёмістасці.

высновы

Вось мы і разгледзелі асноўныя характарыстыкі прыбораў такога ўзроўню, даведаліся аб сферах іх прымянення, пра асаблівасці канструкцыі, прынцыпе дзеяння і магчымых тэхнічных рашэннях. Як вы маглі зразумець з артыкула, распаўсюджанасць ёмістных датчыкаў і іх вельмі высокая папулярнасць грунтуюцца на вельмі прывабнай цане такіх прылад і абавязкам тэрміне эксплуатацыі нават у складаных умовах навакольнага асяроддзя.

Усё гэта магчыма дзякуючы таму, што, з канструктыўнай пункту гледжання, усе гэтыя вымяральнікі з'яўляюцца ўсяго толькі стандартнымі кандэнсатарамі, якія характарызуюцца некалькі незвычайным спосабам іх прымянення. Зрэшты, вы і самі можаце гэта высветліць, яшчэ раз зірнуўшы на матэматычныя формулы, якія ў агульных рысах адлюстроўваюць прынцыпы працы КИПов.