Sensores capacitivos

Un sensor capacitivo se denomina transductor de tipo paramétrico en el que un cambio en el valor medido se convierte en un cambio en la capacitancia.

Aplicaciones de sensores capacitivos

Las posibles aplicaciones de los sensores capacitivos son extremadamente diversas. Se utilizan en sistemas de regulación y control de procesos industriales en casi todas las industrias. Los sensores capacitivos se utilizan para controlar el llenado de tanques con sustancias líquidas, en polvo o granulares, como finales de carrera en líneas automatizadas, transportadores, robots, centros de mecanizado, máquinas cortadoras de metales, en sistemas de señalización, para posicionamiento de diversos mecanismos, etc.

Actualmente, los más extendidos son los sensores de proximidad (presencia), que, además de su fiabilidad, también presentan una amplia gama de ventajas. Con un costo relativamente bajo, los sensores de proximidad cubren un amplio rango de direccionalidad en su aplicación en todas las industrias. Las áreas típicas de uso para sensores capacitivos de este tipo son:

• señalización para el llenado de envases de plástico o vidrio;

• control del nivel de llenado de envases transparentes;

• alarma de rotura de bobina;

• ajuste de la tensión de la correa;

• cuenta parcial de cualquier tipo, etc.

Los codificadores lineales y angulares capacitivos son los dispositivos más comunes, ampliamente utilizados en ingeniería y transporte, construcción y energía, en varios complejos de medición.

Dispositivos relativamente nuevos que han tenido un uso industrial generalizado en los últimos años se han convertido en inclinómetros capacitivos de pequeño tamaño con una señal de salida eléctrica proporcional al ángulo de inclinación del sensor…. Las siguientes áreas de aplicación de los inclinómetros pueden considerarse como las principales: uso en sistemas de nivelación de plataformas, determinación de desviaciones y deformaciones de varios tipos de soportes y vigas, control de ángulos de inclinación de carreteras y vías férreas durante su construcción, reparación y operación, determinar el balanceo de automóviles, barcos y robots submarinos, polipastos y grúas, excavadoras, maquinaria agrícola, determinar el desplazamiento angular de varios tipos de objetos giratorios: ejes, ruedas, mecanismos de caja de cambios en objetos estacionarios y móviles.

Los sensores de nivel capacitivos se utilizan en sistemas de control, regulación y gestión de procesos productivos en las industrias alimentaria, farmacéutica, química, de refinación de petróleo. Son efectivos cuando se trabaja con líquidos, materiales a granel, suspensiones, sustancias viscosas (conductoras y no conductoras), así como en condiciones de condensación, polvo.

Los sensores capacitivos también se utilizan en diversas industrias para medir la presión absoluta y manométrica, el grosor de los materiales dieléctricos, la humedad del aire, la tensión, las aceleraciones angulares y lineales, etc.

Ventajas de los sensores capacitivos sobre otros tipos de sensores

Los sensores capacitivos ofrecen una serie de ventajas sobre otros tipos de sensores. Sus ventajas incluyen:

• facilidad de producción, uso de materiales baratos para la producción; — pequeño tamaño y peso; — bajo consumo de energía; - alta sensibilidad;

• falta de contactos (en algunos casos, un colector actual);

• larga vida útil;

• la necesidad de fuerzas muy pequeñas para mover la parte móvil del sensor capacitivo;

• facilidad de adaptar la forma del sensor a diferentes tareas y diseños;

Desventajas de los sensores capacitivos

Las desventajas de los sensores capacitivos incluyen:

• coeficiente de transferencia (conversión) relativamente pequeño;

• altos requisitos para el blindaje de piezas;

• la necesidad de trabajar a una frecuencia más alta (en comparación con 50 Hz);

En la mayoría de los casos, sin embargo, se puede lograr un blindaje suficiente debido al diseño del sensor, y la práctica demuestra que los sensores capacitivos dan buenos resultados a la frecuencia ampliamente utilizada de 400 Hz. Inherente condensadores el efecto de borde se vuelve significativo solo cuando la distancia entre las placas es comparable a las dimensiones lineales de las superficies bajo consideración. Este efecto puede eliminarse en cierta medida por medio de un anillo protector, que permite desplazar su influencia más allá de los límites de la superficie de las placas realmente utilizadas para las mediciones.

Los sensores capacitivos destacan por su sencillez, lo que permite un diseño robusto y fiable. Los parámetros del capacitor dependen solo de las características geométricas y no dependen de las propiedades de los materiales utilizados, si estos materiales se seleccionan correctamente. Por lo tanto, el efecto de la temperatura en los cambios de superficie y el espaciado de las placas puede ser insignificante al elegir el grado de metal adecuado para las placas y el aislamiento para su unión. Solo queda proteger el sensor de aquellos factores ambientales que pueden deteriorar el aislamiento entre las placas: del polvo, la corrosión, la humedad y la radiación ionizante.

Las valiosas cualidades de los sensores capacitivos (una pequeña cantidad de fuerza mecánica requerida para mover su parte móvil, la capacidad de ajustar la salida del sistema de seguimiento y la alta precisión de operación) hacen que los sensores capacitivos sean indispensables en dispositivos donde errores de solo centésimas e incluso se permiten milésimas por ciento.

Tipos de convertidores capacitivos y sus características de diseño.

Por lo general, un sensor capacitivo es un capacitor plano o cilíndrico, una de cuyas placas experimenta un movimiento controlado, lo que provoca un cambio en la capacitancia. Despreciando los efectos finales, la capacitancia de un capacitor plano se puede expresar de la siguiente manera:

donde ε La constante dieléctrica relativa del medio encerrado entre las placas, C y e — el área de las placas consideradas y, en consecuencia, la distancia entre ellas.

Los transductores capacitivos se pueden utilizar para medir varias cantidades en tres direcciones, dependiendo de la relación funcional de la cantidad no eléctrica medida con los siguientes parámetros:

• constante dieléctrica variable del medio ε;

• área de superposición de placas C;

• diferente distancia entre las placas e.

En el primer caso, se pueden utilizar transductores capacitivos para analizar la composición de la sustancia, ya que la constante dieléctrica es función de las propiedades de la sustancia. En este caso, el valor de entrada natural del convertidor será la composición de la sustancia que llena el espacio entre las placas. Los transductores capacitivos de este tipo se utilizan especialmente para medir el contenido de humedad de sólidos y líquidos, el nivel de líquido, así como para determinar las dimensiones geométricas de objetos pequeños. En la mayoría de los casos de uso práctico de transductores capacitivos, su valor de entrada natural es el desplazamiento geométrico de los electrodos entre sí.Basándose en este principio, sensores de desplazamiento lineal y angular, dispositivos para medir fuerzas, vibraciones, velocidad y aceleración, sensores para Sensores de proximidad, presión y deformación (extensómetros).

Clasificación del sensor capacitivo

En términos de implementación, todos los transductores de medición capacitivos se pueden dividir en sensores capacitivos simples y capacitivos dobles. Estos últimos son diferenciales y semidiferenciales.

Un sensor de capacitancia simple tiene un diseño simple y es un capacitor variable único. Sus desventajas incluyen la influencia significativa de factores externos como la humedad y la temperatura.Para compensar estos errores, aplique diseños diferenciales... La desventaja de tales sensores en comparación con los de capacitancia única es la necesidad de al menos tres (en lugar de dos) cables de conexión blindados entre el sensor y el dispositivo de medición para suprimir el so- denominadas capacitancias parásitas. Sin embargo, este inconveniente se compensa con un aumento significativo en la precisión, la estabilidad y la expansión del campo de aplicación de tales dispositivos.

En algunos casos, es difícil crear un sensor capacitivo diferencial debido a razones de diseño (esto es especialmente cierto para los sensores diferenciales de espacio variable). Sin embargo, si al mismo tiempo se coloca un condensador ejemplar en la misma carcasa con uno que funciona y son lo más idénticos posible en diseño, dimensiones y materiales utilizados, entonces se obtendrá una sensibilidad mucho menor de todo el dispositivo a las influencias desestabilizadoras externas. asegurado En tales casos, podemos hablar de un sensor capacitivo semidiferencial, que al igual que el diferencial, se refiere a uno bicapacitivo.

La especificidad del parámetro de salida de los sensores de dos volúmenes, que se representa como una relación adimensional de cantidades físicas bidimensionales (en nuestro caso, capacitancias), da motivos para llamarlos sensores de relación. Cuando se utilizan sensores de capacitancia dual, es posible que el dispositivo de medición no contenga ninguna medida de capacitancia estándar, lo que contribuye a aumentar la precisión de la medición.

Codificadores de desplazamiento lineal

Las magnitudes no eléctricas a medir y controlar son muchas y variadas. Una parte significativa de ellos son desplazamientos lineales y angulares. Basado en un capacitor que campo eléctrico Se pueden crear dos tipos principales de sensores de desplazamiento capacitivos de manera uniforme en el espacio de trabajo:

• con área de electrodos variable;

• con un espacio variable entre los electrodos.

Es bastante obvio que los primeros son más convenientes para medir desplazamientos grandes (unidades, decenas y centenas de milímetros), y los segundos para medir desplazamientos pequeños y ultrapequeños (partes de milímetro, micrómetros y menos).

Codificadores angulares

Los transductores capacitivos de desplazamiento angular son, en principio, similares a los transductores capacitivos de desplazamiento lineal, y los sensores de área variable también son más adecuados en el caso de rangos de medición no demasiado pequeños (a partir de unidades de grados) y sensores capacitivos de ángulo variable. se puede utilizar con éxito para medir desplazamientos angulares pequeños y ultrapequeños. Por lo general, los transductores de varias secciones con área de placa de condensador variable se utilizan para desplazamientos angulares.

En tales sensores, uno de los electrodos del capacitor está unido al eje del objeto y, durante la rotación, se desplaza con respecto al estacionario, cambiando el área de superposición de las placas del capacitor. Esto, a su vez, provoca un cambio en la capacitancia que es captado por el circuito de medición.

Inclinómetros

El inclinómetro (sensor de inclinación) es un transductor de inclinación capacitivo diferencial que incluye un elemento sensor en forma de cápsula.

Inclinómetro capacitivo

La cápsula consta de un sustrato con dos electrodos planos 1, recubiertos con una capa aislante, y un cuerpo 2, herméticamente fijado al sustrato.La cavidad interna del cuerpo está parcialmente llena de un líquido conductor 3, que es el electrodo común de un elemento sensible.El electrodo común forma un condensador diferencial con los electrodos planos. La señal de salida del sensor es proporcional al valor de la capacitancia del capacitor diferencial, que depende linealmente de la posición de la carcasa en el plano vertical.

El inclinómetro está diseñado para tener una dependencia lineal de la señal de salida del ángulo de inclinación en uno de los llamados planos de trabajo y prácticamente no cambia las lecturas en el otro plano (no de trabajo), mientras que su señal depende débilmente de la temperatura. cambios. Para determinar la posición del avión en el espacio, se utilizan dos inclinómetros, ubicados en un ángulo de 90 ° entre sí.

Los inclinómetros de pequeño tamaño con una señal de salida eléctrica proporcional al ángulo de inclinación del sensor son dispositivos relativamente nuevos. Su alta precisión, tamaño en miniatura, ausencia de unidades mecánicas móviles, facilidad de instalación en obra y bajo coste hacen recomendable su uso no sólo como sensores de balanceo, sino también para sustituir por ellos a los sensores de ángulo, tanto estacionarios como móviles. objetos.

Sensores de nivel de líquido capacitivos

Un transmisor capacitivo para medir el nivel de un líquido no conductor consta de dos condensadores conectados en paralelo

Sensores de presión

Uno de los diseños básicos de un transductor de presión capacitivo es un estator único, que se utiliza para medir la presión absoluta (sensores de presión eléctricos).

Dicho sensor consta de una celda de metal dividida en dos partes por un diafragma de metal plano muy estirado, en un lado del cual hay un electrodo fijo aislado del cuerpo.El electrodo de diafragma forma una capacitancia variable, que se incluye en el circuito de medición. Cuando la presión es igual en ambos lados del diafragma, el transductor está balanceado. Un cambio de presión en una de las cámaras deforma el diafragma y cambia la capacitancia, que es fijada por el circuito de medición.

En un diseño de dos estaciones (diferencial), el diafragma se mueve entre dos placas fijas y se suministra una presión de referencia a una de las dos cámaras, lo que proporciona una medición directa de la presión diferencial (en exceso o diferencial) con el error más pequeño.