Емкостные датчики для промышленной автоматизации

Введение
Современную промышленность сложно представить без специализированного оборудования. Оно позволяет оптимизировать и ускорить производственные процессы, а определенные операции осуществить без них просто невозможно. Одними из таких приборов являются емкостные датчики. Они представляют собой преобразователи параметрического типа, в которых изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления. О том, как работают, где применяются и какие особенности имеют такие приборы можно узнать из представленного реферата.Представленная тема является довольно актуальной в современном мире, поскольку любая промышленная организация стремится к повышению собственной автоматизации. За счет автоматизации многих процессов можно сэкономить время и затраты на их выполнение. Целью исследования является рассмотрение емкостных датчиков, которые применяются в промышленности для ее автоматизации. Для выполнения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: рассмотреть понятие емкостных датчиков, их принцип работы и разновидности;изучить емкостные датчики, как средства автоматизации в промышленности.
ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ
1. Определение «емкостной датчик»Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора. Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). В простейших датчиках это обычно мультивибратор, преобразователь «частота (или скважность)-напряжение» и компаратор.Рисунок 1- Емкостной датчикЁмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора.Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). В простейших датчиках это обычно мультивибратор, преобразователь «частота (или скважность)-напряжение» и компаратор. Иногда, если изменение ёмкости в ответ на воздействие невелико, приходится ставить схемы на микроконтроллерах, которые занимаются автоподстройкой чувствительности и нуля датчика.Ёмкостные датчики получили широкое распространение там, где необходимо контролировать появление слабопроводящих жидкостей, например воды. Это датчики уровня жидкости, датчики дождя в автомобилях, датчики в сенсорных кнопках на бытовой технике (в живых тканях много воды) и т. п.Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;сигнализация обрыва обмоточного провода;регулирование натяжения ленты;поштучный счет любого вида и др. [1, c.423]2. Принцип работы Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.Конструкция данных приборов сравнительно проста. Стандартный емкостный датчик — это конденсатор, который имеет плоскую или цилиндрическую форму. Одна из его пластин все время перемещается в пространстве. В ходе такого движения происходит изменение расстояния между пластинами, деформация диэлектрика, смена его положения, проницаемости и проч.Емкость для плоского конденсатора выражается формулой (1): С=εε0Sd , (1)где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d - площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.Емкостные датчики функционируют следующим образом:Генератор формирует электрополе взаимодействия с объектом.Демодулятор способствует преобразованию изменения амплитуды высокочастотных колебаний генератора, а также изменению постоянного напряжения.Триггер позволяет создать нужный уровень фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.Усилитель обеспечивает увеличение выходного сигнала до оптимального уровня.Светодиодный индикатор отражает положение выключателя и позволяет оперативно настроить устройство.Компаунд обеспечивает требуемый уровень защиты от воздействия твердых тел и жидкости.Прочный корпус исключает вероятность повреждения конструкции в результате механических воздействий. Как правило, при его изготовлении используется латунь или полиамид.Активная поверхность емкостных датчиков образуется металлическими электродами. Последние являются частью цепи обратной связи высокочастотного генератора. Приближаясь к активной поверхности емкостного датчика, объект оказывается под воздействием электрического поля. В этот момент генератор формирует колебания. Их амплитуда увеличивается в зависимости от того, насколько близко находится объект.[2, c. 56]Датчики уровня емкостного типа используются в первую очередь как средства контроля уровня различных жидкостей. Процесс контроля базируется на том, что любая жидкость обладает определенной диэлектрической проницаемостью. Поэтому и принцип работы емкостного датчика уровня заключается в следующем.Главным элементом емкостного датчика уровня является специальный высокочувствительный конденсатор, способный изменять свою емкость в зависимости от того, в какую среду он помещен. Чувствительность конденсатора позволяет датчику одинаково эффективно работать как с диэлектрическими жидкостями, так и с жидкостями, обладающими минимальной диэлектрической проницаемостью.Датчик просто устанавливают в резервуаре, предназначенном для жидкого материала, уровень которого в данном резервуаре (например в трубе) нужно контролировать. За базовую диэлектрическую проницаемость здесь принимается текущая диэлектрическая проницаемость воздуха. И как только жидкость соприкоснется с чувствительным элементом датчика, емкость чувствительного конденсатора изменится. В этот момент датчик сработает - будет зафиксирован контрольный уровень жидкости.Между прочим, датчики уровня емкостного типа способны реагировать на жидкость и вовсе без прямого контакта чувствительного элемента с ней. Ведь фиксация изменения диэлектрической проницаемости может осуществляться и через диэлектрический материал корпуса резервуара, внутри которого варьируется уровень жидкости. Контроль может производиться например через крышку, стенку или дно резервуара, стоит жидкости достичь точки, где установлен чувствительный элемент датчика.Емкостные уровнемеры с коаксиальными электродами используются для измерения уровня неэлектропроводных сред. Недостатком коаксиального чувствительного элемента является плохое заполнение его контролируемым веществом, особенно при повышенной вязкости среды и наличии твердых примесей.Датчики выпускаются в различных исполнениях: по форме, размеру, конструкции чувствительного элемента, а также по конструкции и размеру корпуса и типу установки датчика (встраиваемые в стенку или крышку, размещаемые рядом с емкостью, размещаемые на подвесе внутри емкости).В случае использования в качестве чувствительного элемента одинарного электрода роль второго электрода конденсатора выполняет заземленная стенка резервуара, если она металлическая, либо специальный заземленный металлический электрод, если стенка резервуара выполнена из диэлектрика. Одинарные электроды могут представлять из себя жесткие стержни или гибкие тросы.Для измерения уровня электропроводных сред измерительный электрод покрывают изоляционным слоем. В качестве изоляции, как правило, используется фторопласт.Емкостные датчики уровня жидкости находят применение в самых разных современных областях промышленности, ведь они совместимы практически с любыми жидкостями. Это и сельское хозяйство с его жидкими удобрениями и системами полива. Это и пищевая отрасль (молоко, вода, напитки).В нефтехимической промышленности необходимо контролировать уровень нефтепродуктов. В фармацевтике — жидкие препараты. Во многих отраслях крайне важен контроль уровня воды, в том числе и подземных вод, а также вод в системах хранения, водоснабжения, водоотведения и канализации на предприятиях и просто в зданиях.Датчик способен, таким образом, измерять уровень жидкого продукта, и при необходимости, взаимодействуя с автоматикой, поддерживать требуемое значение. Он может контролировать наполнение емкости жидкостью и процесс прохождение жидкости по трубопроводу, а также отслеживать расход. Таким образом, емкостной датчик уровня жидкости - незаменимое решение для систем автоматизации на разного рода предприятиях.3. РазновидностиПо способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.В некоторых случаях дифференциальный емкостный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным. [3, c. 75]Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения. Датчики линейных перемещенийНеэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:с переменной площадью электродов;с переменным зазором между электродами.Достаточно очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее). Датчики угловых перемещенийЕмкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений. Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора.В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.[4, c.325]ИнклинометрыИнклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы. (рис. 2)Рисунок 2 - Устройство емкостного инклинометраКапсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.Малогабаритные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика, являются сравнительно новыми приборами. Их высокая точность, миниатюрные размеры, отсутствие подвижных механических узлов, простота крепления на объекте и низкая стоимость делают целесообразным использовать их не только в качестве датчиков крена, но и заменять ими угловые датчики, причем не только на стационарных, но и на подвижных объектах.Емкостные датчики уровня жидкостиЕмкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатораДатчики давленияОдной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного давления (электрические датчики давления).Такой датчик состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, с одной стороны которой расположен неподвижный изолированный от корпуса электрод. Электрод с диафрагмой образуют переменную емкость, которая включена в измерительную схему. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, датчик сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму и изменяет емкость, что фиксируется измерительной схемой.В двухстаторной (дифференциальной) конструкции диафрагма перемещается между двумя неподвижными пластинами в одну из двух камер подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального (избыточного или разностного) давления с наименьшей погрешностью. [5, c. 132]
ГЛАВА 2. ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Чаще всего, данные электронные элементы используются в различных видах промышленности. Это связано с тем, что они выступают прекрасным средством автоматизации. Они идеально подходят в качестве прибора, производящего контроль при наполнении резервуаров большого объёма. При этом, наполняться ёмкость должна не обязательно водой, это могут быть зерновые культуры или любое вещество с твёрдой структурой.Емкостные датчики незаменимы в автомобильной технике. Они в большом количестве применяются в системах сигнализации и при обустройстве корпуса автомобиля. Современные машины имеют бортовые компьютеры, которые выводят массу информации на экран (уровень топлива и его расход, температура охлаждающей жидкости, уровень давления масла), считывая необходимые данные с датчиков, большее количество которых являются емкостными. [6, c.220]Сейчас очень популярными стали устройства приближения. Это очень надёжная серия датчиков, которая также обладает дополнительными преимуществами и доступной ценовой политикой. Применяются в качестве:Сигнализирующих элементов о наполнении резервуаров, для производства которых используется высокопрочный пластик или стекло.Элементов, которые производят контроль наполнения небольших емкостей, таких как упаковки малого размера.Сигнализирующего прибора, который извещает пользователя про обрыв провода в электрической цепи.Регулировочного элемента натяжения ленты на конвеере. Емкостные датчики очень важны в данной отрасли, так как при слабом натяжении, конвейер перестанет функционировать.Емкостные датчики выпускаются серийно, включая различные исполнения повышенной защищенности (например, взрывобезопасные). При этом есть датчики разной точности и разной дальности от контролируемых объектов. Емкостные датчики достаточно просты и дешевы, при этом обладают высокой надежностью. Но при этом требуют учета своей специфики. [7]Электрическая емкость проводника характеризует его способность накапливать электрический заряд, приобретая при этом определенный потенциал. Но теоретические основы электротехники в этой статье мы рассматривать не будем.Более того, количество любой теории будет сведено к минимуму, необходимому для общего понимания содержания.Принцип работы емкостного датчика заключается в контроле изменения емкости его чувствительного элемента – конденсатора. В самом привычном значении конденсатор – это радиоэлектронный компонент, состоящий из двух электропроводящих обкладок, разделенных слоем диэлектрика.Они могут иметь различную форму, что кстати, используется при создании емкостных датчиков различного назначения.Области их возможного применения чрезвычайно разнообразны. Так, практически во всех отраслях промышленности можно встретить операции, которые контролируются именно этими приборами. Их применяют для контроля над заполнением различных резервуаров, причем их содержимое может быть жидким, сыпучим или же газообразным (датчик газа). Распространенность их в промышленности и обычной производственной деятельности человека тем выше, чем надежнее и проще конструкция таких приборов. По совокупности этих признаков они настолько хороши, что их можно использовать даже в невероятно агрессивных условиях трюмов нефтеналивных танкеров. Кроме того, емкостной датчик может быть использован в качестве конечного выключателя на конвейерной линии или станке производственного цеха. Необходим он и для наиболее точного позиционирования различных механизмов. Необходимо заметить, что емкостной датчик обладает большим количеством преимуществ, если сравнивать его с аналогичными приборами, которые выполнены по несколько иным принципам. Основные достоинства этих КИПов:В изготовлении они чрезвычайно просты. Кроме того, в их производстве могут быть использованы самые простые и дешевые материалы. Даже емкостные датчики уровня топлива, используемые на важных объектах нефтяной промышленности, имеют крайне скромные габариты, обладают минимально возможным уровнем потребления электрической энергии. При всех этих характеристиках они отличаются превосходным уровнем чувствительности, который нередко недостижим и для более дорогих приборов;В принципе, можно сделать емкостной датчик своими руками, используя в качестве его основы любой более-менее надежный и качественный промышленный конденсатор. Контактов у них нет (очень редко используется один токосъемник), что крайне благоприятно сказывается на работе в условиях высокой запыленности и влажности в помещении;Срок эксплуатации чрезвычайно долог, прибор многократно успевает «отбить» свою невысокую стоимость. Соответственно, датчик емкостной (цена которого находится в пределах 1200-1700 рублей) является чрезвычайно выгодным приобретением;Для перемещения подвижной части прибора требуется приложить удивительно мало усилий. Устройство очень легко сочетается практически со всеми категориями оборудования, которое только используется в промышленной деятельности. К сожалению, каждый емкостной датчик имеет определенные недостатки, которые в той или иной мере затрудняют повсеместное использование данного типа оборудования. Коэффициент преобразования (то есть передачи) сравнительно невысок. Малые размеры и простота конструкции способствуют тому, что выдвигаются довольно высокие требования к качеству экранирования приборов. Хороший емкостной датчик уровня (и прочие подобные измерительные приборы) может эффективно работать только на частоте, намного превышающей стандартное значение в 50 Гц .Используемые в промышленности способы их производства позволяют поделить все выпускаемые типы датчиков на две большие группы: одноемкостные и двухъемкостные. Последняя разновидность подразделяется на дифференциальные и полудифференциальные. Расмотрим их более подробно. Одноемкостный прибор. В этом случае схемы емкостных датчиков просты до крайности, так как основной их частью является самый обычный конденсатор с переменной емкостью. К сожалению, даже слегка повышенная влажность и температура оказывают на точность показаний весьма ощутимое влияние. Из-за этого нередко возникают различные неисправности датчиков. Чтобы нивелировать величины таких погрешностей, приходится использовать дифференцированные конструкции. Двухъемкостный датчик. Собственно, он-то и является такой дифференцированной структурой. Очень часто можно встретить емкостной датчик уровня, изготовленный именно по такой схеме. Эти приборы избавлены от основных недостатков предыдущей модели, но имеют собственные слабые стороны. Наиболее значимым их недостатком является необходимость использования двух-трех экранированных проводов между самим устройством и поверхностью, так как только таким способом можно подавить так называемые паразитные емкости. Во многих случаях (с конструкторской точки зрения) создание таких приборов является довольно проблематичным. Особенно это актуально тогда, когда требуется создать датчик с переменным уровнем емкости. Впрочем, практика показывает, что многие проблемы практически полностью решаются точной калибровкой и высокими характеристиками используемых в производстве материалов. Чаще всего с этими затруднениями приходится сталкиваться производителям двухъемкостных датчиков. Вообще специфика этого типа измерительных приборов заключается в том, что их можно представить в виде безразмерного соотношения двух физических величин (емкостей), которые имеют точное физическое выражение и значение. Так что их можно смело именовать «датчиками отношения». Преимущество этих приборов (огромный их плюс!) состоит в том, что они вообще могут не иметь в своей конструкции каких-то эталонных мер, что здорово повышает их надежность в действительно экстремальных ситуациях и условиях.

Заключение
Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность. Они широко используются в промышленной автоматизации.В ходе написания реферата были изучены все поставленные в начале работы задачи:рассмотрено понятие емкостных датчиков, их принцип работы и разновидности;изучены емкостные датчики, как средства автоматизации в промышленности.
Список использованной литературы
Акулович, Л.М. Основы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении: Учебное пособие / Л.М. Акулович, В.К. Шелег.. - М.: Инфра-М, Нов. знание, 2012. - 488 c.Божко, А.Н. Основы автоматизированного проектирования: Учебник / А.Н. Божко, С.В. Грошев, Д.М. Жук, В.Б. Маничев. - М.: Инфра-М, 2019. - 112 c.Кулон, Ж.Л. САПР в электронике / Ж.Л. Кулон, Ж.К. Сабоннадьер. - М.: Мир, 1988. - 208 c.Латышев, П. Н. Каталог САПР. Программы и производители / П.Н. Латышев. - М.: Солон-Пресс, 2010. - 718 c.Ушаков, Д.М. Введение в математические основы САПР: курс лекций. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — М. : ДМК Пресс, 2011. — 208 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/1311 — Загл. с экрана.Энгельке, У. Д. Как интегрировать САПР и АСТПП / У.Д. Энгельке. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 c.«Языки программирования» [Электронный ресурс] // «Емкостные датчики давления» URL: http://life-prog.ru/view_msinv.php?id=103 (дата обращения: 12.05.2015)