Kapazitive Sensoren

Ein kapazitiver Sensor wird als parametrischer Wandler bezeichnet, bei dem eine Änderung des Messwerts in eine Änderung der Kapazität umgewandelt wird.

Kapazitive Sensoranwendungen

Die Einsatzmöglichkeiten kapazitiver Sensoren sind äußerst vielfältig. Sie werden in industriellen Prozessregelungs- und Kontrollsystemen in fast allen Branchen eingesetzt. Kapazitive Sensoren werden zur Steuerung der Befüllung von Tanks mit flüssigen, pulverförmigen oder körnigen Stoffen eingesetzt, beispielsweise als Endschalter an automatisierten Linien, Förderbändern, Robotern, Bearbeitungszentren, Metallschneidemaschinen, in Signalsystemen, zur Positionierung verschiedener Mechanismen usw.

Am weitesten verbreitet sind derzeit Näherungssensoren (Anwesenheitssensoren), die neben ihrer Zuverlässigkeit auch zahlreiche Vorteile mit sich bringen. Mit relativ geringen Kosten decken Näherungssensoren ein breites Richtungsspektrum bei ihrer Anwendung in allen Branchen ab. Typische Einsatzgebiete für kapazitive Sensoren dieser Art sind:

• Signalisierung zum Befüllen von Kunststoff- oder Glasbehältern;

• Kontrolle des Füllstandes transparenter Verpackungen;

• Spulenbruchalarm;

• Einstellung der Riemenspannung;

• Teilabrechnung jeglicher Art usw.

Kapazitive Linear- und Winkelencoder sind die gebräuchlichsten Geräte, die in den Bereichen Maschinenbau und Transport, Bauwesen und Energie sowie in verschiedenen Messkomplexen weit verbreitet sind.

Relativ neue Geräte, die in den letzten Jahren weit verbreitet in der Industrie eingesetzt wurden, sind kleine kapazitive Neigungsmesser mit einem elektrischen Ausgangssignal, das proportional zum Neigungswinkel des Sensors ist. Als Hauptanwendungsgebiete von Neigungsmessern kommen in Betracht: Einsatz in Bahnsteignivellierungssystemen, Bestimmung von Abweichungen und Verformungen verschiedener Arten von Stützen und Trägern, Kontrolle der Neigungswinkel von Straßen und Eisenbahnen während deren Bau, Reparatur und Betrieb, Bestimmung der Rollneigung von Autos, Schiffen und Unterwasserrobotern, Hebezeugen und Kränen, Baggern, landwirtschaftlichen Maschinen, Bestimmung der Winkelverschiebung verschiedener Arten rotierender Objekte – Wellen, Räder, Getriebemechanismen sowohl an stationären als auch an beweglichen Objekten.

Kapazitive Füllstandsensoren werden in Steuerungssystemen, Regulierung und Management von Produktionsprozessen in der Lebensmittel-, Pharma-, Chemie- und Ölraffinerieindustrie eingesetzt. Sie sind wirksam bei der Arbeit mit Flüssigkeiten, Schüttgütern, Suspensionen, viskosen Substanzen (leitend und nicht leitend) sowie bei Kondensation und Staubbildung.

Kapazitive Sensoren werden auch in verschiedenen Branchen zur Messung von Absolut- und Relativdruck, Dicke dielektrischer Materialien, Luftfeuchtigkeit, Dehnung, Winkel- und Linearbeschleunigungen usw. eingesetzt.

Vorteile kapazitiver Sensoren gegenüber anderen Sensortypen

Kapazitive Sensoren bieten gegenüber anderen Sensortypen eine Reihe von Vorteilen. Zu ihren Vorteilen gehören:

• einfache Produktion, Verwendung billiger Materialien für die Produktion; — geringe Größe und geringes Gewicht; — geringer Energieverbrauch; - hohe Empfindlichkeit;

• Mangel an Kontakten (in manchen Fällen – ein Stromabnehmer);

• lange Lebensdauer;

• die Notwendigkeit sehr geringer Kräfte, um den beweglichen Teil des kapazitiven Sensors zu bewegen;

• einfache Anpassung der Form des Sensors an unterschiedliche Aufgaben und Designs;

Nachteile kapazitiver Sensoren

Zu den Nachteilen kapazitiver Sensoren gehören:

• relativ kleiner Übertragungskoeffizient (Umrechnungskoeffizient);

• hohe Anforderungen an die Abschirmung von Teilen;

• die Notwendigkeit, mit einer höheren Frequenz (im Vergleich zu 50 Hz) zu arbeiten;

In den meisten Fällen lässt sich jedoch aufgrund des Sensordesigns eine ausreichende Abschirmung erreichen und die Praxis zeigt, dass kapazitive Sensoren bei der weit verbreiteten Frequenz von 400 Hz gute Ergebnisse liefern. Inhärent Kondensatoren Der Kanteneffekt wird erst dann signifikant, wenn der Abstand zwischen den Platten mit den linearen Abmessungen der betrachteten Oberflächen vergleichbar ist. Dieser Effekt kann durch einen Schutzring teilweise eliminiert werden, wodurch es möglich wird, seinen Einfluss über die Grenzen der Oberfläche der tatsächlich zur Messung verwendeten Platten hinaus zu verlagern.

Kapazitive Sensoren zeichnen sich durch ihre Einfachheit aus, die ein robustes und zuverlässiges Design ermöglicht. Die Parameter des Kondensators hängen nur von den geometrischen Eigenschaften und nicht von den Eigenschaften der verwendeten Materialien ab, wenn diese Materialien richtig ausgewählt werden. Daher kann der Einfluss der Temperatur auf Oberflächenveränderungen und Plattenabstände vernachlässigbar gering sein, wenn man die richtige Metallsorte für die Platten und die Isolierung für ihre Befestigung wählt. Es bleibt nur noch, den Sensor vor Umwelteinflüssen zu schützen, die die Isolierung zwischen den Platten beeinträchtigen können – vor Staub, Korrosion, Feuchtigkeit und ionisierender Strahlung.

Die wertvollen Eigenschaften kapazitiver Sensoren – ein geringer mechanischer Kraftaufwand zum Bewegen des beweglichen Teils, die Möglichkeit, die Ausgabe des Trackingsystems anzupassen und eine hohe Betriebsgenauigkeit – machen kapazitive Sensoren unverzichtbar in Geräten, bei denen Fehler nur Hundertstel oder sogar weniger betragen Tausendstel Prozent sind erlaubt.

Arten kapazitiver Wandler und ihre Konstruktionsmerkmale

Typischerweise handelt es sich bei einem kapazitiven Sensor um einen flachen oder zylindrischen Kondensator, bei dem eine Platte eine kontrollierte Bewegung erfährt, die eine Kapazitätsänderung bewirkt. Unter Vernachlässigung von Endeffekten kann die Kapazität eines Flachkondensators wie folgt ausgedrückt werden:

wobei ε die relative Dielektrizitätskonstante des zwischen den Platten eingeschlossenen Mediums ist, C und e die Fläche der betrachteten Platten und dementsprechend der Abstand zwischen ihnen.

Mit kapazitiven Wandlern können verschiedene Größen in drei Richtungen gemessen werden, abhängig vom funktionalen Zusammenhang der gemessenen nichtelektrischen Größe mit folgenden Parametern:

• variable Dielektrizitätskonstante des Mediums ε;

• Überlappungsbereich der Platten C;

• unterschiedlicher Abstand zwischen den Platten z.

Im ersten Fall können kapazitive Wandler zur Analyse der Zusammensetzung des Stoffes verwendet werden, da die Dielektrizitätskonstante eine Funktion der Eigenschaften des Stoffes ist. In diesem Fall ist der natürliche Eingangswert des Konverters die Zusammensetzung der Substanz, die den Raum zwischen den Platten ausfüllt. Kapazitive Wandler dieser Art werden besonders häufig zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Feststoffen und Flüssigkeiten, des Flüssigkeitsstands sowie zur Bestimmung der geometrischen Abmessungen kleiner Objekte eingesetzt. In den meisten Fällen des praktischen Einsatzes kapazitiver Wandler stellt ihr natürlicher Eingangswert die geometrische Verschiebung der Elektroden relativ zueinander dar. Basierend auf diesem Prinzip werden Linear- und Winkelverschiebungssensoren, Geräte zur Messung von Kräften, Vibrationen, Geschwindigkeit und Beschleunigung, Sensoren für Näherungs-, Druck- und Dehnungssensoren (Extensometer).

Klassifizierung des kapazitiven Sensors

Hinsichtlich der Implementierung lassen sich alle kapazitiven Messumformer in einfachkapazitive und doppelkapazitive Sensoren unterteilen. Letztere sind differenziell und halbdifferenziell.

Ein einzelner Kapazitätssensor ist einfach aufgebaut und besteht aus einem einzelnen variablen Kondensator. Zu seinen Nachteilen gehört der erhebliche Einfluss äußerer Faktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur.Um diese Fehler zu kompensieren, wenden Sie Differentialkonstruktionen an... Der Nachteil solcher Sensoren im Vergleich zu Einzelkapazitätssensoren ist die Notwendigkeit von mindestens drei (anstelle von zwei) abgeschirmten Verbindungsdrähten zwischen Sensor und Messgerät, um die So- sogenannte parasitäre Kapazitäten. Dieser Nachteil wird jedoch durch eine deutliche Steigerung der Genauigkeit, Stabilität und Erweiterung des Einsatzbereichs solcher Geräte ausgeglichen.

In einigen Fällen ist es aus Designgründen schwierig, einen kapazitiven Differentialsensor zu erstellen (dies gilt insbesondere für Differentialsensoren mit variablem Abstand). Wenn jedoch gleichzeitig ein beispielhafter Kondensator mit einem funktionierenden im selben Gehäuse untergebracht wird und diese in Design, Abmessungen und verwendeten Materialien möglichst identisch sind, ist die Empfindlichkeit des gesamten Geräts gegenüber äußeren destabilisierenden Einflüssen deutlich geringer sichergestellt. In solchen Fällen können wir von einem halbdifferenziellen kapazitiven Sensor sprechen, der sich wie der differenzielle auf einen bikapazitiven Sensor bezieht.

Die Besonderheit des Ausgangsparameters von Zweivolumensensoren, der als dimensionsloses Verhältnis zweidimensionaler physikalischer Größen (in unserem Fall Kapazitäten) dargestellt wird, gibt Anlass, sie als Verhältnissensoren zu bezeichnen. Bei Verwendung von Dual-Kapazitätssensoren enthält das Messgerät möglicherweise überhaupt keine Standard-Kapazitätsmessungen, was zur Erhöhung der Messgenauigkeit beiträgt.

Lineare Wegmesssysteme

Die zu messenden und zu steuernden nichtelektrischen Größen sind vielfältig. Ein wesentlicher Teil davon sind lineare und Winkelverschiebungen. Basierend auf einem Kondensator elektrisches Feld Zwei Haupttypen kapazitiver Wegsensoren können gleichmäßig im Arbeitsspalt erzeugt werden:

• mit variabler Elektrodenfläche;

• mit variablem Abstand zwischen den Elektroden.

Es liegt auf der Hand, dass erstere besser für die Messung großer Verschiebungen (Einheiten, Zehner- und Hundertermillimeter) und letztere für die Messung kleiner und kleinster Verschiebungen (Millimeterteile, Mikrometer und weniger) geeignet sind.

Winkelgeber

Kapazitive Winkelwandler ähneln im Prinzip den kapazitiven Linearwandlern, bei nicht zu kleinen Messbereichen (ab der Einheit Grad) sind auch Schwebekörpersensoren und kapazitive Sensoren mit variablem Winkelabstand besser geeignet kann erfolgreich zur Messung kleiner und kleinster Winkelverschiebungen eingesetzt werden. Typischerweise werden für Winkelverschiebungen mehrteilige Aufnehmer mit variabler Kondensatorplattenfläche verwendet.

Bei solchen Sensoren ist eine der Kondensatorelektroden an der Welle des Objekts befestigt und wird während der Drehung relativ zur stationären verschoben, wodurch sich der Überlappungsbereich der Kondensatorplatten ändert. Dies wiederum führt zu einer Kapazitätsänderung, die von der Messschaltung erfasst wird.

Neigungsmesser

Der Neigungsmesser (Neigungssensor) ist ein differenzieller kapazitiver Neigungswandler, der ein kapselförmiges Sensorelement enthält.

Kapazitiver Neigungsmesser

Die Kapsel besteht aus einem Substrat mit zwei flachen Elektroden 1, die mit einer Isolierschicht bedeckt sind, und einem hermetisch am Substrat befestigten Körper 2. Der innere Hohlraum des Körpers ist teilweise mit einer leitfähigen Flüssigkeit 3 ​​gefüllt, die die gemeinsame Elektrode von darstellt ein sensibles Element.Die gemeinsame Elektrode bildet mit den Flachelektroden einen Differentialkondensator. Das Ausgangssignal des Sensors ist proportional zum Wert der Kapazität des Differenzkondensators, der linear von der Position des Gehäuses in der vertikalen Ebene abhängt.

Der Neigungsmesser ist so konzipiert, dass das Ausgangssignal linear vom Neigungswinkel in einer sogenannten Arbeitsebene abhängt und die Messwerte in der anderen (nicht arbeitenden) Ebene praktisch nicht verändert, während sein Signal schwach von der Temperatur abhängt Änderungen. Um die Position des Flugzeugs im Raum zu bestimmen, werden zwei Neigungsmesser verwendet, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

Kleinere Neigungsmesser mit einem elektrischen Ausgangssignal proportional zum Neigungswinkel des Sensors sind relativ neue Geräte. Ihre hohe Genauigkeit, Miniaturgröße, das Fehlen beweglicher mechanischer Einheiten, die einfache Installation vor Ort und die geringen Kosten machen es ratsam, sie nicht nur als Rollsensoren zu verwenden, sondern auch Winkelsensoren durch sie zu ersetzen, nicht nur stationär, sondern auch bewegt Objekte.

Kapazitive Flüssigkeitsstandsensoren

Ein kapazitiver Messumformer zur Messung des Füllstands einer nichtleitenden Flüssigkeit besteht aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren

Drucksensor

Eine der Grundkonstruktionen eines kapazitiven Druckwandlers ist ein einzelner Stator, der zur Messung des Absolutdrucks verwendet wird (elektrische Drucksensoren).

Ein solcher Sensor besteht aus einer Metallzelle, die durch eine straff gespannte flache Metallmembran in zwei Teile geteilt ist, auf deren einer Seite sich eine vom Körper isolierte feste Elektrode befindet.Die Membranelektrode bildet eine variable Kapazität, die in den Messkreis einbezogen wird. Wenn der Druck auf beiden Seiten der Membran gleich ist, ist der Wandler im Gleichgewicht. Eine Druckänderung in einer der Kammern verformt die Membran und verändert die Kapazität, die durch die Messschaltung festgelegt wird.

Bei einer Zwei-Stationen-(Differential-)Konstruktion bewegt sich die Membran zwischen zwei festen Platten und einer der beiden Kammern wird ein Referenzdruck zugeführt, der eine direkte Messung des Differenzdrucks (Über- oder Differenzdruck) mit dem kleinsten Fehler ermöglicht.