חיישנים קיבוליים

חיישן קיבולי נקרא מתמר מסוג פרמטרי שבו שינוי בערך הנמדד מומר לשינוי בקיבול.

יישומי חיישן קיבולי

היישומים האפשריים עבור חיישנים קיבוליים הם מגוונים ביותר. הם משמשים ברגולציה ובקרה של תהליכים תעשייתיים כמעט בכל התעשיות. חיישנים קיבוליים משמשים לשליטה במילוי מיכלים בחומרים נוזליים, אבקה או גרגירים, כגון מתגי גבול בקווים אוטומטיים, מסועים, רובוטים, מרכזי עיבוד, מכונות חיתוך מתכת, במערכות איתות, למיקום מנגנונים שונים וכו'.

נכון להיום, הנפוצים ביותר הם חיישני קרבה (נוכחות), אשר בנוסף לאמינותם יש גם מגוון רחב של יתרונות. בעלות נמוכה יחסית, חיישני קרבה מכסים מגוון רחב של כיווניות ביישום שלהם בכל הענפים. תחומי שימוש אופייניים לחיישנים קיבוליים מסוג זה הם:

• איתות למילוי מיכלי פלסטיק או זכוכית;

• שליטה ברמת המילוי של אריזות שקופות;

• אזעקת שבירת סליל;

• התאמת מתח חגורה;

• חשבון חלקי מכל סוג וכו'.

מקודדים ליניאריים וזוויתיים קיבוליים הם המכשירים הנפוצים ביותר, בשימוש נרחב בהנדסה ותחבורה, בנייה ואנרגיה, במתחמי מדידה שונים.

מכשירים חדשים יחסית שנכנסו לשימוש תעשייתי נרחב בשנים האחרונות הפכו למדדי שיפוע קיבוליים בגודל קטן עם אות פלט חשמלי פרופורציונלי לזווית הנטייה של החיישן... תחומי היישום הבאים של מדי שיפוע יכולים להיחשב כעיקריים: שימוש במערכות הרמה של פלטפורמות, קביעת סטיות ועיוותים של סוגים שונים של תומכים וקורות, שליטה על זוויות הנטייה של כבישים ומסילות ברזל במהלך בנייתם, תיקונם והפעלתם, קביעת הגלגול של מכוניות, ספינות ורובוטים תת-מימיים, מנופים ומנופים, מחפרים, מכונות חקלאיות, קביעת תזוזה זוויתית של סוגים שונים של עצמים מסתובבים - פירים, גלגלים, מנגנוני תיבת הילוכים על עצמים נייחים ונעים כאחד.

חיישני רמה קיבולית משמשים במערכות בקרה, רגולציה וניהול של תהליכי ייצור בתעשיות המזון, התרופות, הכימיקלים, זיקוק הנפט. הם יעילים כאשר עובדים עם נוזלים, חומרים בתפזורת, השעיות, חומרים צמיגים (מוליכים ולא מוליכים), כמו גם בתנאים של עיבוי, אבק.

חיישנים קיבוליים משמשים גם בתעשיות שונות למדידת לחץ מוחלט ומדידה, עובי חומרים דיאלקטריים, לחות אוויר, מתח, תאוצות זוויתיות וליניאריות וכו'.

יתרונות חיישנים קיבוליים על פני סוגי חיישנים אחרים

חיישנים קיבוליים מציעים מספר יתרונות על פני סוגי חיישנים אחרים. היתרונות שלהם כוללים:

• קלות ייצור, שימוש בחומרים זולים לייצור; - גודל ומשקל קטן; - צריכת אנרגיה נמוכה; - רגישות גבוהה;

• חוסר אנשי קשר (במקרים מסוימים - אספן נוכחי אחד);

• חיי שירות ארוכים;

• הצורך בכוחות קטנים מאוד כדי להזיז את החלק הנע של החיישן הקיבולי;

• קלות התאמת צורת החיישן למשימות ועיצובים שונים;

חסרונות של חיישנים קיבוליים

החסרונות של חיישנים קיבוליים כוללים:

• מקדם העברה (המרה) קטן יחסית;

• דרישות גבוהות לחלקי מיגון;

• הצורך לעבוד בתדר גבוה יותר (לעומת 50 הרץ);

עם זאת, ברוב המקרים, ניתן להשיג מיגון מספיק בזכות תכנון החיישן, והתרגול מראה שחיישנים קיבוליים נותנים תוצאות טובות בתדר הנפוצה של 400 הרץ. טבוע קבלים אפקט הקצה הופך למשמעותי רק כאשר המרחק בין הלוחות דומה לממדים הליניאריים של המשטחים הנחשבים. ניתן לבטל את ההשפעה הזו במידה מסוימת באמצעות טבעת מגן, המאפשרת להעביר את השפעתה מעבר לגבולות פני השטח של הלוחות המשמשים בפועל למדידות.

חיישנים קיבוליים יוצאי דופן בזכות הפשטות שלהם, המאפשרת עיצוב חזק ואמין. הפרמטרים של הקבל תלויים רק במאפיינים הגיאומטריים ואינם תלויים בתכונות החומרים המשמשים, אם חומרים אלה נבחרים נכון. לכן, השפעת הטמפרטורה על שינויי פני השטח ומרווחי הלוחות יכולה להיות קטנה באופן זניח על ידי בחירת דרגת המתכת המתאימה לצלחות והבידוד להצמדתם. נותר רק להגן על החיישן מפני אותם גורמים סביבתיים שיכולים לדרדר את הבידוד בין הלוחות - מפני אבק, קורוזיה, לחות, קרינה מייננת.

התכונות החשובות של חיישנים קיבוליים - כמות קטנה של כוח מכני הנדרש כדי להזיז את החלק הנייד שלו, היכולת להתאים את הפלט של מערכת המעקב ודיוק הפעלה גבוה - הופכות חיישנים קיבוליים לחיוניים במכשירים שבהם שגיאות של מאיות ואפילו אלפיות אחוז מותר.

סוגי ממירים קיבוליים ותכונות העיצוב שלהם

בדרך כלל, חיישן קיבולי הוא קבל שטוח או גלילי, שאחד הלוחות שלו עובר תנועה מבוקרת, הגורם לשינוי בקיבול. בהזנחה של אפקטים קצה, הקיבול עבור קבל שטוח יכול לבוא לידי ביטוי באופן הבא:

כאשר ε הקבוע הדיאלקטרי היחסי של המדיום הכלוא בין הלוחות, C ו-e - שטח הלוחות הנחשבים ובהתאם, המרחק ביניהם.

ניתן להשתמש במתמרים קיבוליים למדידת כמויות שונות בשלושה כיוונים, בהתאם ליחס הפונקציונלי של הכמות הנמדדת הלא-חשמלית עם הפרמטרים הבאים:

• קבוע דיאלקטרי משתנה של המדיום ε;

• שטח חופף של לוחות C;

• מרחק שונה בין הלוחות ה.

במקרה הראשון, ניתן להשתמש במתמרים קיבוליים לניתוח הרכב החומר, שכן הקבוע הדיאלקטרי הוא פונקציה של תכונות החומר. במקרה זה, ערך הקלט הטבעי של הממיר יהיה הרכב החומר הממלא את החלל בין הלוחות. מתמרים קיבוליים מסוג זה נמצאים בשימוש נרחב במיוחד במדידת תכולת הלחות של מוצקים ונוזלים, רמת הנוזל, וכן בקביעת הממדים הגיאומטריים של עצמים קטנים. ברוב המקרים של שימוש מעשי במתמרים קיבוליים, ערך הקלט הטבעי שלהם הוא התזוזה הגיאומטרית של האלקטרודות זו ביחס לשנייה.על בסיס עיקרון זה, חיישני תזוזה ליניאריים וזוויתיים, מכשירים למדידת כוחות, רעידות, מהירות ותאוצה, חיישנים עבור חיישני קרבה, לחץ ומתח (extensometers).

סיווג של חיישן קיבולי

מבחינת יישום, ניתן לחלק את כל מתמרי המדידה הקיבוליים לחיישנים חד-קיבוליים וכפולים. האחרונים הם דיפרנציאליים חצי דיפרנציאליים.

חיישן קיבול יחיד הוא פשוט בעיצובו והוא קבל משתנה יחיד. החסרונות שלו כוללים השפעה משמעותית של גורמים חיצוניים כגון לחות וטמפרטורה.כדי לפצות על שגיאות אלו, יש ליישם עיצובים דיפרנציאליים... החיסרון של חיישנים כאלה בהשוואה לחיישנים בעלי קיבול אחד הוא הצורך בלפחות שלושה (במקום שניים) חוטי חיבור מסוככים בין החיישן למכשיר המדידה כדי לדכא את כך- הנקראים קיבולים טפיליים. עם זאת, חסרון זה משתלם עם עלייה משמעותית ברמת הדיוק, היציבות והרחבת תחום היישום של מכשירים כאלה.

במקרים מסוימים, קשה ליצור חיישן קיבולי דיפרנציאלי מסיבות עיצוביות (זה נכון במיוחד עבור חיישנים דיפרנציאליים עם פערים משתנים). עם זאת, אם באותו זמן מונח קבל למופת באותו בית עם קבל עובד והם זהים ככל האפשר בעיצוב, במידות ובחומרים בהם נעשה שימוש, אזי תהיה רגישות נמוכה בהרבה של המכשיר כולו להשפעות מעוררות יציבות חיצוניות. מובטחת. במקרים כאלה, נוכל לדבר על חיישן קיבולי חצי דיפרנציאלי, אשר, כמו הדיפרנציאלי, מתייחס לחיישן דו-קיבולי.

הספציפיות של פרמטר הפלט של חיישני שני נפח, המיוצגת כיחס חסר ממדים של כמויות פיזיקליות דו-ממדיות (במקרה שלנו, קיבולים), נותנת סיבה לקרוא להם חיישני יחס. בעת שימוש בחיישני קיבולים כפולים, ייתכן שמכשיר המדידה לא יכיל כלל מדדי קיבול סטנדרטיים, מה שתורם להגברת דיוק המדידה.

מקודדים לתזוזה ליניארית

הכמויות הלא חשמליות שיש למדוד ולבקר הן רבות ומגוונות. חלק משמעותי מהם הם תזוזות ליניאריות וזוויתיות. מבוסס על קבל כי שדה חשמלי שני סוגים עיקריים של חיישני תזוזה קיבוליים יכולים להיווצר באופן אחיד במרווח העבודה:

• עם שטח אלקטרודה משתנה;

• עם מרווח משתנה בין האלקטרודות.

די ברור שהראשונים נוחים יותר למדידת תזוזות גדולות (יחידות, עשרות ומאות מילימטרים), והאחרונים למדידת תזוזות קטנות וקטנות במיוחד (חלקי מילימטר, מיקרומטרים ופחות).

מקודדים זוויתיים

מתמרים קיבוליים בעלי תזוזה זוויתית דומים באופן עקרוני למתמרים קיבוליים בתזוזה ליניארית, וחיישני שטח משתנה מתאימים יותר גם במקרה של טווחי מדידה לא קטנים מדי (החל מיחידות של מעלות), וחיישנים קיבוליים בעלי זווית משתנה. ניתן להשתמש בהצלחה למדידת תזוזות זוויתיות קטנות וקטנות במיוחד. בדרך כלל, מתמרים מרובי חלקים עם שטח צלחת קבלים משתנה משמשים לתזוזות זוויתיות.

בחיישנים כאלה, אחת מאלקטרודות הקבל מחוברת לפיר האובייקט, ובמהלך הסיבוב היא נעקרה ביחס לנייח, ומשנה את אזור החפיפה של לוחות הקבלים. זה, בתורו, גורם לשינוי בקיבול שנלכד על ידי מעגל המדידה.

מדי שיפוע

מד השיפוע (חיישן הטיה) הוא מתמר הטיה קיבולי דיפרנציאלי הכולל אלמנט חישה בצורת קפסולה.

מד שיפוע קיבולי

הקפסולה מורכבת ממצע עם שתי אלקטרודות שטוחות 1, מכוסות בשכבת בידוד, וגוף 2, המחובר הרמטית למצע. החלל הפנימי של הגוף מלא בחלקו בנוזל מוליך 3, שהוא האלקטרודה הנפוצה של אלמנט רגיש.האלקטרודה המשותפת יוצרת קבל דיפרנציאלי עם האלקטרודות השטוחות. אות המוצא של החיישן הוא פרופורציונלי לערך הקיבול של הקבל הדיפרנציאלי, התלוי באופן ליניארי במיקום הדיור במישור האנכי.

מד השיפוע מתוכנן לתלות ליניארית של אות המוצא בזווית הנטייה במישור עבודה אחד, ולמעשה אינו משנה את הקריאות במישור השני (שאינו פועל), בעוד שהאות שלו תלוי במידה חלשה בטמפרטורה שינויים. כדי לקבוע את מיקומו של המטוס בחלל, משתמשים בשני מדי שיפוע הממוקמים בזווית של 90 מעלות זה לזה.

מדי שיפוע בגודל קטן עם אות פלט חשמלי פרופורציונלי לזווית הנטייה של החיישן הם מכשירים חדשים יחסית. הדיוק הגבוה שלהם, גודלם המיניאטורי, היעדר יחידות מכניות ניתנות להזזה, קלות ההתקנה באתר והעלות הנמוכה מאפשרים להשתמש בהם לא רק כחיישני גלגול, אלא גם להחליף בהם חיישני זווית, לא רק נייחים אלא גם בתנועה. חפצים.

חיישני מפלס נוזל קיבולי

משדר קיבולי למדידת רמת נוזל לא מוליך מורכב משני קבלים המחוברים במקביל

חיישני לחץ

אחד העיצובים הבסיסיים של מתמר לחץ קיבולי הוא סטטור בודד, המשמש למדידת לחץ מוחלט (חיישני לחץ חשמליים).

חיישן כזה מורכב מתא מתכת המחולק לשני חלקים על ידי דיאפרגמת מתכת שטוחה מתוחה בחוזקה, שבצד אחד שלה יש אלקטרודה קבועה מבודדת מהגוף.אלקטרודת הדיאפרגמה יוצרת קיבול משתנה, הנכלל במעגל המדידה. כאשר הלחץ שווה משני צידי הסרעפת, המתמר מאוזן. שינוי בלחץ באחד החדרים מעוות את הסרעפת ומשנה את הקיבול, אשר קבוע על ידי מעגל המדידה.

בתכנון דו-תחנות (דיפרנציאלי), הסרעפת נעה בין שני לוחות קבועים ולחץ ייחוס מסופק לאחד משני החדרים, המספק מדידה ישירה של הלחץ ההפרש (עודף או דיפרנציאלי) עם השגיאה הקטנה ביותר.