Контрольная работа на тему: «Настройка и регулировка емкостных датчиков»

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение
2. Назначение и основные технические характеристики
3. Структурная схема
4. Принципиальная схема
5. Разработка инструкций по настройке и регулировке
6. Характерные неисправности
7. Алгоритм поиска неисправностей
8. Расчетная часть
9. Заключение
10. Литература

 

ВВЕДЕНИЕ

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Емкостной датчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Наиболее часто емкостные датчики применяют для измерений меняющихся давления или уровня, точных измерений механических перемещений и т. п.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

— простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;

— малые габариты и вес;

— низкое потребление энергии;

— высокая чувствительность;

— отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

— долгий срок эксплуатации;

— потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

— простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

— сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

— высокие требования к экранировке деталей;

— необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Целью данной работы является разобраться в настройке и регулировке емкостных датчиков, ознакомиться с принципиальными и структурными схемами, научиться находить неисправности и исправлять их.

Данная тематика является весьма актуальной, так как применение емкостных датчиков общирно.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ёмкостным датчиком принято называть устройство преобразования параметрического типа, в котором измерение контролируемой величины преобразуется в изменение ёмкостного сопротивления. Назначением  ёмкостного датчика является преобразование  неэлектрических величин различного типа (уровня жидкости, механического усилия, давления, влажности, температуры и др.) в определённое значение электрической ёмкости. Исходя из назначения, различают следующие виды емкостных датчиков:

Датчики линейных перемещений

Неэлектрические величины, подлежащие измерению и контролю, весьма многочисленны и разнообразны. Значительную их часть составляют линейные и угловые перемещения. На основе конденсатора, у которогоэлектрическое 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 перемещений

Емкостные 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.

Инклинометры

Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы.

 

Устройство емкостного инклинометра изображено на рисунке 1. Капсула 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 жидкости

Емкостной преобразователь для измерения уровня непроводящей жидкости представляет собой два параллельно соединенных конденсатора

Датчики давления

Одной из основных конструкций емкостного преобразователя давления является одностаторная, которая применяется для измерения абсолютного 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.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

 

Емкocтный бecконтакный датчик функционирует следующим образом:

Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом, смотреть рисунок 2.

Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.

Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.

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

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

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки «развернутого» конденсатора (смотреть рисунок 1.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал.

Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (смотреть график зависимости Sr от Er на рисунке 3 и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от Er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определени реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1 Sn.

 

Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов: Материал — Er

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Представим устройство емкостного датчика в виде структурной схемы (рисунок 2), т.е. последовательности блоков, представляющих собой системы с распределёнными (СРП) или сосредоточенными параметрами (ССП).

 

На рисунке 4 представлены сокращения, такие как:

∆x – измеряемое перемещение;

∆c – изменение емкости постоянного конденсатора;

∆u_c– изменение напряжения на конденсаторе;

∆I– изменение протекаемого тока;

∆u_r – изменение напряжения на сопротивлениях;

∆u_m– напряжение разбаланса.

 

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Емкостной датчик реагирует на приближение руки к металлическому предмету, например замку, сейфу, или же на касание охраняемого предмета. Датчиком может служить и любая электропроводная пластина с размерами примерно 200×200 мм. Чувствительность датчика зависит от настройки и может Составлять до 20 см.

В основе работы схемы представленной на рисунке 5, используется принцип изменяемой емкости. При поднесении руки к датчику WA1 в колебательный контур автогенератора на транзисторе VT1 вносится емкость, и его частота меняется. Начальная частота автогенератора около 280 кГц. Схема настраивается так, чтобы второй колебательный контур (L2, С7) был в резонансе с частотой автогенератора.

На транзисторе VT4 собран активный детектор ВЧ сигнала. При достаточной амплитуде напряжения в контуре (L2, С7) VT4 будет находиться в насыщении (при этом VT5 заперт).

 

На транзисторе VT4 собран активный детектор ВЧ сигнала. При достаточной амплитуде напряжения в контуре (L2, С7) VT4 будет находиться в насыщении (при этом VT5 заперт).

Цепь из резисторов R6, R7 обеспечивает устойчивую работу схемы при изменении питающего напряжения от 3,5 до 10 В. Резистором R6 можно установить нужную чувствительность датчика.

Транзисторы VT2 и VT3 используются как диоды для стабилизации режимов работы транзисторов VT1 и VT4 при изменении питающего напря-дения. По сравнению с диодами переход транзистора обеспечивает лучшую стабилизацию напряжения при малых рабочих токах.

Для удобства настройки схемы к коллектору VT5 можно подключить светодиод с ограничительным резистором (величина резистора зависит от напряжения питания и может быть от 200 до 1000 Ом).

 

РАЗРАБОТКА ИНСТРУКЦИЙ ПО НАСТРОЙКЕ И РЕГУЛИРОВКЕ

Грубая настройка схемы производится конденсатором С7, плавная — сердечником катушки L2, а также резистором R6. Окончательная настройка устройства проводится с реальным датчиком WA1, с которым схема будет в дальнейшем работать. При этом если охраняемый предмет имеет большую металлическую поверхность, то может потребоваться установка разделительного конденсатора небольшой емкости (5…100 пФ) между WA1 и контактом 1 схемы.

Катушки L1, L2 намотаны на ферритовом стержне типа 600НН (или 400НН) диаметром 10 мм и длиной 55 мм. Такие ферриты ‘ используются в качестве антенны в приемниках на СВ и ДВ диапазонах. Катушка L1 содержит 350 витков, L2 — 250 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,08…0,12 мм, которые распределены равномерно по бумажному каркасу на ферритовом стержне. Сердечник L2 должен перемещаться относительно каркаса.

Постоянные резисторы применены типа С2-23, подстроечный R6 — СПЗ-19а, конденсатор СЮ типа К53-1, остальные конденсаторы типа К10-17.

Схема датчика размещается в любом пластмассовом корпусе и крепится вблизи отдатчика WA1 (100…200 мм).

Устройство может работать совместно с другими схемами охраны в качестве датчика или как самостоятельное охранное устройство при наличии звукового индикатора.

 

ХАРАКТЕРНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Из этого следует, что основными неисправностями емкостных датчиков являются:

– нарушение функционирования диэлектрической проницаемости среды, что приводит к выводу из строя всего датчика;

– изменение площади поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно приводит так же к выводу из строя всего датчика.

 

АЛГОРИТМ ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

В общем случае поиск неисправностей состоит из следующих этапов:

а) установление факта неисправности устройства по изменению активных и пассивных признаков нормальной работы;

б) анализ имеющихся признаков неисправностей и сопоставление их с возможным состоянием элементов устройства;

в) сравнение признаков неисправностей, указанных в инструкциях по эксплуатации и известных из опыта эксплуатации, с наблюдаемыми признаками;

г) выбор оптимальной последовательности поиска и объема дополнительных измерений для обследования элементов, в которых возможно появление неисправностей;

д) последовательное измерение;

е) общая оценка результатов испытаний и заключение о наиболее вероятных причинах неисправности выделенного элемента;

ж) устранение неисправности устройства, либо же его замена.

 

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

Если связать подвижную пластину 2 с объектом измерения, а пластину 1 оставить неподвижной, то емкость конденсатора будет ли изменяться с изменением расстояния между пластинами?

Решение: Такой датчик применяется для измерения весьма малых перемещений до 1 мм (емкостной микрометр) . Переменной величиной в таком датчике является расстояние между пластинами. Зависимость емкости С (n Ф) от величины смещения d определяется выражением:

где d — величина изменения зазора между пластинами, мм;

e_r — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Чувствительность датчика определяется величиной приращения емкости при изменении контролируемой неэлектрической величины на единицу ее измерения.

 

Датчик угловых перемещений — используется для контроля незначительных угловых перемещений (в телемеханике), для передачи показаний стрелочных измерительных приборов.

Подвижная обкладка (пластина 1) жестко скреплена с валом 3,может легко проворачиваться относительно неподвижной обкладки (пластины 2) так,что расстояние между пластинами остается неизменным.

Рабочая площадь такого датчика (заштрихованная) зависит от угла поворота a обкладки 1. Для увеличения емкости датчика применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин.

Решение: Зависимость емкости датчика от взаимного положения подвижных и неподвижных пластин определяется выражением:

где Sn — площадь взаимодействия между подвижной и одной из неподвижных пластин при угле поворота a = 0, см²;

n — количество неподвижных и подвижных пластин;

d — зазор между пластинами, мм.

Если пластины имеют форму половины круга, а ось вращения подвижных пластин находится в центре окружности обеих пластин, то емкость датчика в зависимости от угла поворота :

С = 0,89 S_max( n-1 ) a / d 180

где a — угол поворота подвижной пластины относительно неподвиж- ной (от 0 до 180° и обратно);

S_max — площадь взаимодействия пластин при a=180° (при полностью вдвинутых пластинах), см².

А чувствительность датчика будет определяется по формуле :

S_д = 0,89 S_max ( n — 1 ) / d 180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог, невозможно не сказать, что такое емкостной датчик и где же он применяется.

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

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.

В данной работе было исследовано и разобрано назначение и технические параметры емкостных датчиков, его схемы подключения к устройствам, принцип действия, его неисправности и разобраны причины их появления, приведены решения заданий с участием емкостных датчиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебник для вузов. Том 2 – 3 – е издание, перераб. И доп. – Л.:Энергоиздат.Ленингр.отд-ние, 1981.- 416 с., ил.
2. Скаржепа В.А., Луценко А. Н. – Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/Под общ.ред.А.А. Краснопрошиной.-К.:Высш.шк.Головное изд-во, 1989.-431с.
3. http://nice.artip.ru/yomkostnoy-datchik-nadezhno-kontroliruet-protivougonnoe-ustroystvo
4. http://baumanki.net/lectures/1-avtomatizaciya/44-elektromehanicheskie-i-magnitnye-elementy-sistem-avtomatiki/696-8-emkostnye-datchiki.html
5. http://radiostorage.net/1076-yomkostnyj-datchik.html
6. https://eleczon.ru/ucheba/neispravnosti/maxtune.html
7. https://works.doklad.ru/view/OyWsePswdfc/all.html
8. http://lekcion.ru/kulinaria/13461-rassmotrim-osnovnie-tipi-emkostnih-datchikov.html
9. https://eleczon.ru/ucheba/neispravnosti/maxtune.html
10. https://www.drive2.ru/o/b/3088801
11. https://studfiles.net/preview/6147840/page:13/
12. https://studfiles.net/preview/2610428/page:32/