Sensores capacitivos

Um sensor capacitivo é chamado de transdutor do tipo paramétrico, onde uma mudança no valor medido é convertida em uma mudança na capacitância.

Aplicações de sensores capacitivos

As aplicações possíveis para sensores capacitivos são extremamente diversas. Eles são usados ​​na regulação de processos industriais e sistemas de controle em quase todas as indústrias. Os sensores capacitivos são utilizados para controlar o enchimento de tanques com substâncias líquidas, em pó ou granulares, como chaves fim de curso em linhas automatizadas, transportadores, robôs, centros de usinagem, máquinas de corte de metais, em sistemas de sinalização, para posicionamento de diversos mecanismos, etc.

Atualmente, os mais difundidos são os sensores de proximidade (presença), que, além de sua confiabilidade, também apresentam uma ampla gama de vantagens. Com um custo relativamente baixo, os sensores de proximidade cobrem uma ampla faixa de direcionalidade em sua aplicação em todas as indústrias. Áreas típicas de uso para sensores capacitivos deste tipo são:

• sinalização para enchimento de recipientes de plástico ou vidro;

• controle do nível de enchimento de embalagens transparentes;

• alarme de quebra de bobina;

• ajuste de tensão da correia;

• conta parcial de qualquer tipo, etc.

Encoders capacitivos lineares e angulares são os dispositivos mais comuns, amplamente utilizados em engenharia e transporte, construção e energia, em diversos complexos de medição.

Dispositivos relativamente novos que entraram em uso industrial generalizado nos últimos anos tornaram-se inclinômetros capacitivos de pequeno porte com um sinal de saída elétrico proporcional ao ângulo de inclinação do sensor…. As seguintes áreas de aplicação dos inclinômetros podem ser consideradas as principais: uso em sistemas de nivelamento de plataformas, determinação de desvios e deformações de vários tipos de suportes e vigas, controle de ângulos de inclinação de estradas e ferrovias durante sua construção, reparo e operação, determinando a rolagem de carros, navios e robôs subaquáticos, guindastes e guindastes, escavadeiras, máquinas agrícolas, determinando o deslocamento angular de vários tipos de objetos rotativos - eixos, rodas, mecanismos de caixa de engrenagens em objetos estacionários e em movimento .

Os sensores de nível capacitivos são utilizados em sistemas de controle, regulação e gerenciamento de processos de produção nas indústrias alimentícia, farmacêutica, química e de refino de petróleo. Eles são eficazes ao trabalhar com líquidos, materiais a granel, suspensões, substâncias viscosas (condutoras e não condutoras), bem como em condições de condensação e poeira.

Os sensores capacitivos também são usados ​​em várias indústrias para medir pressão absoluta e manométrica, espessura de materiais dielétricos, umidade do ar, deformação, acelerações angulares e lineares, etc.

Vantagens dos sensores capacitivos sobre outros tipos de sensores

Sensores capacitivos oferecem uma série de vantagens sobre outros tipos de sensores. Suas vantagens incluem:

• facilidade de produção, uso de materiais baratos para produção; — pequeno tamanho e peso; — baixo consumo de energia; - alta sensibilidade;

• falta de contatos (em alguns casos — um coletor atual);

• longa vida útil;

• a necessidade de forças muito pequenas para mover a parte móvel do sensor capacitivo;

• facilidade de adaptação da forma do sensor a diferentes tarefas e projetos;

Desvantagens dos sensores capacitivos

As desvantagens dos sensores capacitivos incluem:

• coeficiente de transferência (conversão) relativamente pequeno;

• altos requisitos para blindagem de peças;

• a necessidade de trabalhar em uma frequência mais alta (comparada a 50 Hz);

Na maioria dos casos, no entanto, blindagem suficiente pode ser alcançada devido ao projeto do sensor, e a prática mostra que os sensores capacitivos fornecem bons resultados na frequência amplamente usada de 400 Hz. Inerente capacitores o efeito de aresta torna-se significativo apenas quando a distância entre as placas é comparável às dimensões lineares das superfícies em consideração. Este efeito pode ser eliminado até certo ponto por meio de um anel de proteção, o que torna possível deslocar sua influência além dos limites da superfície das placas realmente utilizadas para medições.

Os sensores capacitivos são notáveis ​​por sua simplicidade, o que permite um design robusto e confiável. Os parâmetros do capacitor dependem apenas das características geométricas e não dependem das propriedades dos materiais utilizados, se esses materiais forem selecionados corretamente. Portanto, o efeito da temperatura nas mudanças de superfície e no espaçamento das placas pode ser insignificante, escolhendo o grau apropriado de metal para as placas e o isolamento para sua fixação. Resta apenas proteger o sensor daqueles fatores ambientais que podem deteriorar o isolamento entre as placas - de poeira, corrosão, umidade, radiação ionizante.

As valiosas qualidades dos sensores capacitivos - uma pequena quantidade de força mecânica necessária para mover sua parte móvel, a capacidade de ajustar a saída do sistema de rastreamento e alta precisão de operação - tornam os sensores capacitivos indispensáveis ​​em dispositivos onde erros de apenas centésimos e até milésimos por cento são permitidos.

Tipos de conversores capacitivos e seus recursos de design

Normalmente, um sensor capacitivo é um capacitor plano ou cilíndrico, cujas placas sofrem um movimento controlado, causando uma alteração na capacitância. Desprezando os efeitos finais, a capacitância para um capacitor plano pode ser expressa da seguinte forma:

onde ε A constante dielétrica relativa do meio encerrado entre as placas, C e e - a área das placas consideradas e, consequentemente, a distância entre elas.

Os transdutores capacitivos podem ser usados ​​para medir várias grandezas em três direções, dependendo da relação funcional da grandeza não elétrica medida com os seguintes parâmetros:

• constante dielétrica variável do meio ε;

• área de sobreposição das placas C;

• distância diferente entre as placas e.

No primeiro caso, transdutores capacitivos podem ser usados ​​para analisar a composição da substância, já que a constante dielétrica é função das propriedades da substância. Neste caso, o valor natural de entrada do conversor será a composição da substância que preenche o espaço entre as placas. Os transdutores capacitivos deste tipo são especialmente amplamente utilizados na medição do teor de umidade de sólidos e líquidos, o nível do líquido, bem como na determinação das dimensões geométricas de pequenos objetos. Na maioria dos casos de uso prático de transdutores capacitivos, seu valor de entrada natural é o deslocamento geométrico dos eletrodos um em relação ao outro. Com base neste princípio, sensores de deslocamento linear e angular, dispositivos para medir forças, vibrações, velocidade e aceleração, sensores para sensores de proximidade, pressão e deformação (extensômetros).

Classificação do Sensor Capacitivo

Em termos de implementação, todos os transdutores de medição capacitiva podem ser divididos em sensores capacitivos simples e capacitivos duplos. Os últimos são diferenciais e semi-diferenciais.

Um único sensor de capacitância tem um design simples e é um único capacitor variável. Suas desvantagens incluem influência significativa de fatores externos, como umidade e temperatura.Para compensar esses erros, aplique projetos diferenciais... A desvantagem de tais sensores em comparação com os de capacitância única é a necessidade de pelo menos três (em vez de dois) fios de conexão blindados entre o sensor e o dispositivo de medição para suprimir o so- chamadas capacitâncias parasitas. No entanto, essa desvantagem é compensada com um aumento significativo na precisão, estabilidade e expansão do campo de aplicação de tais dispositivos.

Em alguns casos, um sensor capacitivo diferencial é difícil de criar devido a razões de projeto (isso é especialmente verdadeiro para sensores diferenciais de intervalo variável). No entanto, se ao mesmo tempo um capacitor exemplar for colocado no mesmo invólucro com um funcional e eles forem o mais idênticos possível em design, dimensões e materiais usados, uma sensibilidade muito menor de todo o dispositivo a influências desestabilizadoras externas será assegurado. Nesses casos, podemos falar de um sensor capacitivo semi-diferencial, que, como o diferencial, refere-se a um sensor bi-capacitivo.

A especificidade do parâmetro de saída de sensores de dois volumes, que é representado como uma razão adimensional de quantidades físicas bidimensionais (no nosso caso, capacitâncias), dá razão para chamá-los de sensores de razão. Ao usar sensores de capacitância dupla, o dispositivo de medição pode não conter nenhuma medida de capacitância padrão, o que contribui para aumentar a precisão da medição.

Codificadores de deslocamento linear

As grandezas não elétricas a serem medidas e controladas são muitas e variadas. Uma parte significativa deles são deslocamentos lineares e angulares. Baseado em um capacitor que campo elétrico dois tipos principais de sensores de deslocamento capacitivo podem ser criados uniformemente na folga de trabalho:

• com área de eletrodo variável;

• com uma distância variável entre os eletrodos.

É bastante óbvio que os primeiros são mais convenientes para medir grandes deslocamentos (unidades, dezenas e centenas de milímetros) e os últimos para medir deslocamentos pequenos e ultrapequenos (partes de um milímetro, micrômetros e menos).

codificadores angulares

Os transdutores capacitivos de deslocamento angular são, em princípio, semelhantes aos transdutores capacitivos de deslocamento linear, e os sensores de área variável também são mais adequados no caso de faixas de medição não muito pequenas (a partir de unidades de graus) e sensores capacitivos de intervalo de ângulo variável pode ser usado com sucesso para medir deslocamentos angulares pequenos e ultrapequenos. Normalmente, transdutores de múltiplas seções com área de placa de capacitor variável são usados ​​para deslocamentos angulares.

Nesses sensores, um dos eletrodos do capacitor é preso ao eixo do objeto e, durante a rotação, é deslocado em relação ao estacionário, alterando a área de sobreposição das placas do capacitor. Isso, por sua vez, causa uma mudança na capacitância que é capturada pelo circuito de medição.

Inclinômetros

O inclinômetro (sensor de inclinação) é um transdutor capacitivo diferencial de inclinação que inclui um elemento sensor em forma de cápsula.

inclinômetro capacitivo

A cápsula é constituída por um substrato com dois eletrodos planos 1, recobertos por uma camada isolante, e um corpo 2, hermeticamente fixado ao substrato. A cavidade interna do corpo é parcialmente preenchida por um líquido condutor 3, que é o eletrodo comum do um elemento sensível.O eletrodo comum forma um capacitor diferencial com os eletrodos planos. O sinal de saída do sensor é proporcional ao valor da capacitância do capacitor diferencial, que depende linearmente da posição do invólucro no plano vertical.

O inclinômetro é projetado para ter uma dependência linear do sinal de saída no ângulo de inclinação em um chamado plano de trabalho e praticamente não altera as leituras no outro plano (sem trabalho), enquanto seu sinal depende fracamente da temperatura mudanças. Para determinar a posição do avião no espaço, são utilizados dois inclinômetros, localizados em um ângulo de 90 ° entre si.

Inclinômetros de pequeno porte com sinal elétrico de saída proporcional ao ângulo de inclinação do sensor são dispositivos relativamente novos. Sua alta precisão, tamanho diminuto, falta de unidades mecânicas móveis, facilidade de instalação no local e baixo custo tornam aconselhável usá-los não apenas como sensores de rotação, mas também para substituir sensores de ângulo por eles, não apenas estacionários, mas também móveis objetos.

Sensores capacitivos de nível de líquido

Um transmissor capacitivo para medir o nível de um líquido não condutor consiste em dois capacitores conectados em paralelo

Sensores de pressão

Um dos projetos básicos de um transdutor de pressão capacitiva é um único estator, que é usado para medir a pressão absoluta (sensores de pressão elétrica).

Esse sensor consiste em uma célula de metal dividida em duas partes por um diafragma de metal plano bem esticado, em um lado do qual há um eletrodo fixo isolado do corpo.O eletrodo do diafragma forma uma capacitância variável, que está incluída no circuito de medição. Quando a pressão é igual em ambos os lados do diafragma, o transdutor está balanceado. Uma mudança de pressão em uma das câmaras deforma o diafragma e altera a capacitância, que é fixada pelo circuito de medição.

Em um projeto de duas estações (diferencial), o diafragma se move entre duas placas fixas e uma pressão de referência é fornecida a uma das duas câmaras, o que fornece uma medição direta da pressão diferencial (excesso ou diferencial) com o menor erro.