Mahtuvuslikud andurid

Mahtuvusandurit nimetatakse parameetriliseks tüüpi muunduriks, kus mõõdetud väärtuse muutus teisendatakse mahtuvuse muutuseks.

Mahtuvusliku anduri rakendused

Mahtuvusandurite võimalikud rakendused on äärmiselt mitmekesised. Neid kasutatakse tööstusprotsesside reguleerimise ja juhtimissüsteemides peaaegu kõigis tööstusharudes. Mahtuvusandureid kasutatakse mahutite vedeliku, pulbri või granuleeritud ainetega täitmise juhtimiseks, näiteks piirlülitid automatiseeritud liinidel, konveierid, robotid, töötluskeskused, metallilõikusmasinad, signaalisüsteemides, erinevate mehhanismide positsioneerimiseks jne.

Praegu on enim levinud lähedus- (kohalolu)andurid, millel on lisaks töökindlusele ka lai valik eeliseid. Suhteliselt madalate kuludega katavad lähedusandurid laias valikus suundumusi kõigis tööstusharudes. Seda tüüpi mahtuvusandurite tüüpilised kasutusvaldkonnad on järgmised:

• signalisatsioon plast- või klaasmahutite täitmiseks;

• läbipaistvate pakendite täitetaseme kontroll;

• mähise purunemise alarm;

• rihma pinge reguleerimine;

• mis tahes osaline konto jne.

Mahtuvuslikud lineaar- ja nurgakooderid on levinumad seadmed, mida kasutatakse laialdaselt inseneri- ja transpordi-, ehitus- ja energeetikas, erinevates mõõtekompleksides.

Suhteliselt uutest seadmetest, mis on viimastel aastatel laialdaselt tööstuslikku kasutust leidnud, on saanud väikesemahulised mahtuvuslikud kaldemõõturid, mille elektriline väljundsignaal on võrdeline anduri kaldenurgaga…. Peamisteks võib pidada järgmisi kaldemõõturite kasutusvaldkondi: kasutamine platvormide tasandussüsteemides, erinevat tüüpi tugede ja talade hälvete ja deformatsioonide määramine, teede ja raudteede kaldenurkade kontroll nende ehitamisel, remondil ja ekspluatatsioonil, autode, laevade ja allveerobotite, tõstukite ja kraanade, ekskavaatorite, põllutöömasinate veere määramine, erinevat tüüpi pöörlevate objektide - võllide, rataste, käigukasti mehhanismide nurknihke määramine nii seisvatel kui ka liikuvatel objektidel .

Mahtuvusliku taseme andureid kasutatakse juhtimissüsteemides, tootmisprotsesside reguleerimises ja juhtimises toidu-, farmaatsia-, keemia- ja naftatööstustes. Need on tõhusad vedelike, puistematerjalide, suspensioonide, viskoossete ainetega (juhtivad ja mittejuhtivad) töötamisel, samuti kondenseerumise ja tolmu tingimustes.

Mahtuvusandureid kasutatakse erinevates tööstusharudes ka absoluut- ja manomeetrirõhu, dielektriliste materjalide paksuse, õhuniiskuse, deformatsiooni, nurk- ja lineaarkiirenduse jms mõõtmiseks.

Mahtuvuslike andurite eelised teist tüüpi andurite ees

Mahtuvuslikud andurid pakuvad teiste anduritüüpide ees mitmeid eeliseid. Nende eeliste hulka kuuluvad:

• tootmise lihtsus, odavate materjalide kasutamine tootmiseks; — väike suurus ja kaal; — madal energiatarve; - kõrge tundlikkus;

• kontaktide puudumine (mõnel juhul - üks voolukollektor);

• pikk kasutusiga;

• vajadus väga väikeste jõudude järele mahtuvusanduri liikuva osa liigutamiseks;

• anduri kuju kohandamise lihtsus erinevate ülesannete ja kujundustega;

Mahtuvuslike andurite puudused

Mahtuvusandurite puudused hõlmavad järgmist:

• suhteliselt väike ülekande (teise) koefitsient;

• kõrged nõuded varjestusosadele;

• vajadus töötada kõrgemal (võrreldes 50 Hz) sagedusega;

Enamasti on aga tänu anduri konstruktsioonile võimalik saavutada piisav varjestus ning praktika näitab, et mahtuvuslikud andurid annavad häid tulemusi laialdaselt kasutataval sagedusel 400 Hz. Omane kondensaatorid servaefekt muutub oluliseks alles siis, kui plaatide vaheline kaugus on võrreldav vaadeldavate pindade joonmõõtmetega. Seda efekti saab mingil määral kõrvaldada kaitserõnga abil, mis võimaldab nihutada selle mõju väljapoole tegelikult mõõtmiseks kasutatavate plaatide pinna piire.

Mahtuvuslikud andurid on tähelepanuväärsed oma lihtsuse poolest, mis võimaldab saavutada tugevat ja usaldusväärset disaini. Kondensaatori parameetrid sõltuvad ainult geomeetrilistest omadustest ja ei sõltu kasutatud materjalide omadustest, kui need materjalid on õigesti valitud. Seetõttu võib temperatuuri mõju pinnamuutustele ja plaatide vahekaugustele olla kaduvväike, kui valida plaatidele sobiv metall ja nende kinnituseks isolatsioon. Jääb vaid andurit kaitsta nende keskkonnategurite eest, mis võivad plaatide vahelist isolatsiooni halvendada — tolmu, korrosiooni, niiskuse, ioniseeriva kiirguse eest.

Mahtuvusandurite väärtuslikud omadused – liikuva osa liigutamiseks vajalik väike mehaaniline jõud, jälgimissüsteemi väljundi reguleerimise võimalus ja töö kõrge täpsus – muudavad mahtuvusandurite asendamatuks seadmetes, kus vead ulatuvad vaid sajandikutesse ja isegi. tuhanded protsendid on lubatud.

Mahtuvusmuundurite tüübid ja nende konstruktsioonilised omadused

Tavaliselt on mahtuvusandur lame või silindriline kondensaator, mille üks plaat läbib kontrollitud liikumise, põhjustades mahtuvuse muutuse. Jättes tähelepanuta lõppefektid, saab lamekondensaatori mahtuvust väljendada järgmiselt:

kus ε Plaatide vahele suletud keskkonna suhteline dielektriline konstant, C ja e - vaadeldavate plaatide pindala ja vastavalt nendevaheline kaugus.

Mahtuvusmuundureid saab kasutada erinevate suuruste mõõtmiseks kolmes suunas, sõltuvalt mõõdetud mitteelektrilise suuruse funktsionaalsest seosest järgmiste parameetritega:

• keskkonna muutuv dielektriline konstant ε;

• plaatide C kattuv ala;

• plaatide erinev kaugus e.

Esimesel juhul saab aine koostise analüüsimiseks kasutada mahtuvusandureid, kuna dielektriline konstant on aine omaduste funktsioon. Sel juhul on muunduri loomulikuks sisendväärtuseks plaatide vahelist ruumi täitva aine koostis. Seda tüüpi mahtuvusandureid kasutatakse eriti laialdaselt tahkete ainete ja vedelike niiskusesisalduse, vedeliku taseme mõõtmisel, samuti väikeste objektide geomeetriliste mõõtmete määramisel. Enamasti on mahtuvusandurite praktilisel kasutamisel nende loomulikuks sisendväärtuseks elektroodide geomeetriline nihe üksteise suhtes.Sellel põhimõttel joon- ja nurknihke andurid, jõudude, vibratsiooni, kiiruse ja kiirenduse mõõtmise seadmed, andurid lähedus-, rõhu- ja pingeandurid (ekstensomeetrid).

Mahtuvusliku anduri klassifikatsioon

Rakenduse poolest võib kõik mahtuvuslikud mõõtemuundurid jagada ühemahtuvuslikeks ja kahemahtuvuslikeks anduriteks. Viimased on diferentsiaalsed ja pooldiferentsiaalsed.

Üks mahtuvusandur on lihtsa konstruktsiooniga ja ühe muutuva kondensaatoriga. Selle puudused hõlmavad välistegurite, nagu niiskus ja temperatuur, olulist mõju.Nende vigade kompenseerimiseks rakendage diferentsiaalkonstruktsioone... Selliste andurite miinuseks võrreldes ühemahtuvuslike anduritega on vajadus vähemalt kolme (kahe asemel) varjestatud ühendusjuhtme järele anduri ja mõõteseadme vahel, et summutada nii. nimetatakse parasiitmahtuvusteks. Kuid see puudus tasub end ära selliste seadmete täpsuse, stabiilsuse ja kasutusala laienemisega.

Mõnel juhul on diferentsiaalmahtuvusandurit keeruline luua konstruktsiooni põhjustel (see kehtib eriti muutuva vahega diferentsiaalandurite kohta). Kui aga samaaegselt paigutada eeskujulik kondensaator töötava korpusega samasse korpusesse ja need on nii disainilt, mõõtmetelt kui ka kasutatud materjalidelt võimalikult identsed, siis on kogu seadme tundlikkus väliste destabiliseerivate mõjude suhtes palju väiksem. tagatud. Sellistel juhtudel saame rääkida pooldiferentsiaalsest mahtuvusandurist, mis sarnaselt diferentsiaaliga viitab kahemahtuvusele.

Kahe mahuga andurite väljundparameetri spetsiifilisus, mis on kujutatud kahemõõtmeliste füüsikaliste suuruste (meie puhul mahtuvuse) dimensioonita suhtena, annab põhjust nimetada neid suhteanduriteks. Kahekordse mahtuvuse andurite kasutamisel ei pruugi mõõteseade standardseid mahtuvusmõõte sisaldada, mis aitab kaasa mõõtmise täpsuse suurenemisele.

Lineaarse nihke kodeerijad

Mõõdetavaid ja kontrollitavaid mitteelektrilisi suurusi on palju ja erinevaid. Märkimisväärne osa neist on lineaarsed ja nurknihked. Põhineb kondensaatoril, mis elektriväli töövahesse saab ühtlaselt luua kahte peamist tüüpi mahtuvusliku nihke andureid:

• muutuva elektroodi pindalaga;

• muutuva vahega elektroodide vahel.

On üsna ilmne, et esimesed on mugavamad suurte nihete (ühikud, kümned ja sajad millimeetrid) mõõtmiseks, teised aga väikeste ja üliväikeste (millimeetriosad, mikromeetrid ja vähem) mõõtmiseks.

Nurgakooderid

Nurknihkega mahtuvusmuundurid on põhimõtteliselt sarnased lineaarse nihkega mahtuvusmuunduritega ning mitte liiga väikeste mõõtevahemike (alates kraadiühikutest) korral sobivad paremini ka muutuva pindalaga andurid ning muutuva nurgavahega mahtuvusandurid. saab edukalt kasutada väikeste ja üliväikeste nurknihkete mõõtmiseks. Tavaliselt kasutatakse nurknihkete jaoks mitmesektsioonilisi andureid, millel on muutuva kondensaatoriplaadi pindala.

Sellistes andurites on üks kondensaatori elektroodidest kinnitatud objekti võlli külge ja pöörlemise ajal nihutatakse see statsionaarse suhtes, muutes kondensaatori plaatide kattumise ala. See omakorda põhjustab mahtuvuse muutuse, mille mõõteahel kinni püüab.

Inklinomeetrid

Kaldemõõtur (kaldeandur) on diferentsiaalne mahtuvuslik kaldeandur, mis sisaldab kapslikujulist sensorelementi.

Mahtuvuslik kaldemõõtur

Kapsel koosneb substraadist, millel on kaks lamedat elektroodi 1, mis on kaetud isolatsioonikihiga, ja põhimiku külge hermeetiliselt kinnitatud korpusest 2. Korpuse sisemine õõnsus on osaliselt täidetud juhtiva vedelikuga 3, mis on elektrit juhtiva kihi ühine elektrood. tundlik element.Ühine elektrood moodustab lamedate elektroodidega diferentsiaalkondensaatori. Anduri väljundsignaal on võrdeline diferentsiaalkondensaatori mahtuvuse väärtusega, mis on lineaarselt sõltuv korpuse asendist vertikaaltasandil.

Kaldemõõtur on konstrueeritud nii, et väljundsignaalil on lineaarne sõltuvus kaldenurgast ühel nn töötlustasandil ja see praktiliselt ei muuda teise (mittetöötava) tasapinna näitu, samas kui selle signaal on nõrgalt sõltuv temperatuurist muudatusi. Tasapinna asukoha määramiseks ruumis kasutatakse kahte kaldemõõturit, mis asuvad üksteise suhtes 90 ° nurga all.

Väikesed kaldemõõturid, mille elektriline väljundsignaal on võrdeline anduri kaldenurgaga, on suhteliselt uued seadmed. Nende suur täpsus, miniatuursed mõõtmed, liikuvate mehaaniliste sõlmede puudumine, kohapeal paigaldamise lihtsus ja madal hind muudavad soovitatavaks kasutada neid mitte ainult veereanduritena, vaid ka asendada nendega nurgaandurid, mitte ainult statsionaarsed, vaid ka liikuvad. objektid.

Mahtuvuslikud vedeliku taseme andurid

Mittejuhtiva vedeliku taseme mõõtmiseks mõeldud mahtuvuslik saatja koosneb kahest paralleelselt ühendatud kondensaatorist

Rõhuandurid

Mahtuvusliku rõhuanduri üks põhikonstruktsioone on üks staator, mida kasutatakse absoluutrõhu mõõtmiseks (elektrilised rõhuandurid).

Selline andur koosneb metallelemendist, mis on jagatud kaheks osaks tihedalt venitatud tasapinnalise metallmembraaniga, mille ühel küljel on korpusest eraldatud fikseeritud elektrood.Diafragma elektrood moodustab muutuva mahtuvusega, mis sisaldub mõõteahelas. Kui rõhk on membraani mõlemal küljel võrdne, on andur tasakaalustatud. Rõhu muutus ühes kambris deformeerib membraani ja muudab mahtuvust, mis fikseeritakse mõõteahelaga.

Kahe jaama (diferentsiaal) konstruktsioonis liigub membraan kahe fikseeritud plaadi vahel ja ühte kahest kambrist antakse võrdlusrõhk, mis võimaldab vahetu (liig- või diferentsiaal) rõhu mõõtmist väikseima veaga.