Емкостные датчики

Емкостные датчики позволяют определять присутствие различных материалов, в том числе — через препятствия. Емкостные датчики широко применяются в различных областях благодаря ряду достоинств:

– обнаружение неметаллических объектов;

– отсутствие механического износа;

– бесконтактное обнаружение объекта;

– обнаружение жидкостей и сыпучих материалов.

Классический емкостной датчик состоит из усилителя, схемы коммутации и RC-цепочки (рис. 1), которая является чувствительным элементом датчика. Этот чувствительный элемент состоит из двух электродов, расположенных друг относительно друга подобно «открытому» конденсатору (рис. 2). Электроды А и В расположены в контуре обратной связи высокочастотного генератора. В случае отсутствия объектов в области действия поля электродов емкость датчика и амплитуда колебаний имеют низкое значение. По мере приближения объекта к чувствительной поверхности датчика емкость увеличивается, частота колебаний ВЧ-генератора снижается, и это снижение частоты преобразуется в рост выходного напряжения схемы. Пороговая выходная датчика вырабатывает сигнал ВКЛ или ВЫКЛ.

Измеряемая емкость зависит от площади поверхности электродов (S), дистанции (d) и диэлектрической постоянной материала (е) между ними: C ~ (εS)/d.

Работа емкостного датчика зависит от того, какой объект к нему приближен: проводит ли материал электрический ток, заземлен объект или нет. На рисунке 3 показаны три возможных схемы работы в зависимости от материала объекта. От свойств материала зависит рабочая дистанция датчика (см. рис. 4), поэтому при ее расчете необходимо учитывать поправочный коэффициент (см. табл. 1). Данный коэффициент зависит от диэлектрической постоянной материала.

Таблица 1. Поправочные коэффициенты для расчета рабочей дистанции

Материал	Диэлектрическая постоянная материала, ε	Поправочный коэффициент, Km
Воздух, вакуум
Бумага	1.2...3	0,15… 0,3
Керосин	2,2	0,2
Хлорвинил		0,3
Стекло	3...10	0,3… 0,75
Дерево	2...7	0,2… 0,7
Спирт		0,85
Метанол	33,5	0,92
Вода

В зависимости от материала корпуса, на который устанавливается датчик, а также материала объекта, наличие которого он детектирует, возможны два варианта установки датчика (см. рис. 5):

– монтаж на панель;

– утопленный монтаж.

При этом надо учитывать ряд важных моментов. При утопленном монтаже в металлическую поверхность двух и более датчиков минимальное расстояние между датчиками не должно быть меньше дистанции, равной диаметру датчика. Аналогично при монтаже на панель это расстояние должно быть больше двух его диаметров (см. рис. 6).

Емкостные датчики выпускаются множеством различных фирм, как зарубежных, так и отечественных. Корпус датчика полностью залит высококачественным пластиком, за исключением полости для чувствительного элемента (см. рис. 7), лишенного дефектов, вкраплений и полостей. Это обеспечивает отличную устойчивость к вибрации и ударам, а также высокую степень защиты от воды.

Применение емкостных датчиков позволяет решить две основные задачи:

– определение уровня в резервуаре;

– обнаружение различных объектов.

Практическое занятие №2 Индуктивные датчики

Рис. 8. Устройство индуктивного датчика

Назначение указанных на рисунке 8 элементов следующее:

1. Генератор обеспечивает зону чувствительности индуктивного датчика.

2. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

3. Усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала до необходимого значения.

4. Светодиодный индикатор показывает включенное/выключенное состояние индуктивного датчика, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки и ремонта оборудования.

5. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

6. Корпус обеспечивает монтаж индуктивного датчика, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКТИВНОГО ДАТЧИКА

После подачи напряжения питания, перед активной поверхностью бесконтактного индуктивного выключателя образуется электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности генератора. При внесении управляющего объекта в зону чувствительности индуктивного датчика, снижается добротность колебательного контура и соответственно амплитуда колебаний. Это вызывает срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния индуктивного датчика. В качестве коммутационных элементов используются мощные p-n-p и n-p-n транзисторы

ПРИМЕНЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

Индуктивные датчики наиболее эффективно использовать в качестве конечных выключателей в автоматических линиях, станках и т.п., т.к. они срабатывают только на проводящие материалы и не чувствительны ко всем остальным. Это увеличивает их защищенность от помех - введение в зону чувствительности индуктивного датчика рук оператора, эмульсии, воды, смазки и т.д. не приведет к ложному срабатыванию. В качестве управляющего объекта для индуктивного датчика используются такие металлические конструктивы, как зубья шестерен, кулачки, ползуны; часто это металлическая пластина, прикрепленная к соответствующей детали оборудования. Для настройки расстояния воздействия применяют пластину из стали, толщиной 1 мм. Пластина имеет форму квадрата со стороной более или равной значению диаметра индуктивного датчика. В случае применения конструктивов не из стали, а из других металлов, вводятся поправочные коэффициенты:

Чугун - 1,1

Хром-никель - 0,9

Латунь - 0,4

Аллюминий - 0,35

При установке индуктивного датчика в реальную конструкцию, следует учитывать влияние окружающих неподвижных металлических элементов и других индуктивных выключателей.