Емкостные и индуктивные датчики в цилиндрическом корпусе с наружное резьбой, будучи бесконтактными датчиками положения часто выглядят идентично, что может сбивать с толку. Несмотря на это внешнее сходство, физические принципы, лежащие в основе каждого типа датчиков, различаются. В отличии от индуктивных датчиков, которые работают только с металлами, емкостные датчики используются для обнаружения как токопроводящих, так и непроводящих материалов. Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Во многих отраслях промышленности емкостные датчики используются для определение положения и наличия деталей на конвейерных линиях, так же для сигнализации разрыва лент. В сельское хозяйстве для мониторинга уровня зерна и кормов в хранилищах. В пищевой промышленности для контроля уровня жидких и сыпучих продуктов. Емкостный датчик способен обнаружить содержимое под крышкой и проверить фактическую наполненность упаковки. Как следует из названия, в основе емкостных датчиков лежит основная характеристика конденсатора — ёмкость.
Ёмкостный датчик — это устройство, которое измеряет изменение электрической ёмкости, вызванное приближением объекта (проводящего или диэлектрического). Внутри датчика расположены электроды, формирующие электрическое поле перед рабочей поверхностью. Пока рядом находится воздух, параметры поля стабильны. Когда в зону попадает объект с другой диэлектрической проницаемостью, поле изменяется, и электроника фиксирует это как наличие объекта.
Этапы работы ёмкостного датчика.
Электроды конденсатора, являющегося частью генератора, создают электрическое поле для взаимодействия с объектом.
Генератор обеспечивает переменное электрическое поле перед электродами конденсатора.
Демодулятор преобразует изменение высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
Триггер обеспечивает необходимый порог срабатывания, гистерезис, крутизну фронтов сигнала управления.
Усилитель увеличивает амплитуду и рабочий ток выходного сигнала до необходимых значений.
Подстроечный элемент служит для регулировки чувствительности датчика и отстройки от помех (росы, инея и пр.)
Индикатор (обычно светодиодный) обеспечивает визуальный контроль срабатывания датчика, увеличивая удобство эксплуатации, уменьшая время настройки.
Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от вредного воздействия твердых частиц и влаги.
Корпус. В цилиндрических датчиках чаще всего выполняется из латуни и нержавеющей стали, но так же цилиндрические емкостные датчики встречаются в пластиковых корпусах в частности из полиамида – конструкционного синтетический полимера. В прямоугольных и других исполнениях применяются ударопрочные пластики. Корпус служит для обеспечения монтажа датчика и защиты от механических и прочих внешних воздействий.
Подобно тому, как при включении света появляется его луч, при подаче напряжения питания перед поверхностью электродов как бы «развернутого» конденсатора возникает невидимое электрическое поле. Именно это поле и является зоной, где емкостной датчик "чувствует" наличие предметов. Параметры генератора выбраны таким образом, что при отсутствии каких-либо материалов в зоне чувствительности датчика, кроме воздуха, имеющего диэлектрическую проницаемость близкую к единице, электрических колебаний в генераторе не возникает. Когда мы помещаем материал любой материал с большей диэлектрической проницаемостью в поле конденсатора, увеличивается емкость конденсатора. От этого действия в генераторе возникают колебания с амплитудой, зависящей от расстояния до материала, размеров его, а также от его диэлектрической проницаемости. Далее, амплитуда колебаний преобразуется демодулятором в изменение уровня постоянного напряжения, что вызывает срабатывание триггера, что приводит к переключению выходного состояния датчика.
Выход емкостного датчика. Если датчик на напряжение 220 В, то он двухпроводный. Нагрузка может быть подключена к любому проводу.
Намного чаще встречаются c напряжением питания 12…24 В. постоянного тока (DC). На практике всегда используются датчики с питающим напряжением 24 VDC и редко с 12 VDC.
У датчиков с напряжением 24 VDC чаще всего три провода. По цветам: коричневый + питание, синий — питание, черный выход.
Если чёрный выходной провод минус, то это NPN датчик.
Если чёрный выходной провод плюс, то это PNP датчик.
Существует четыре основных разновидности выхода датчиков:
PNP NO (НО)
PNP NC (НЗ)
NPN NO (НО)
NPN NC (НЗ)
Более подробно про выхода изложено в предыдущей статье про индуктивные датчики — https://dzen.ru/a/af4M3tVPVU_dLysx
Реже встречаются датчики четырехпроводные, у них сразу две логики: NO (включение) и NC (выключение). Например, PNP NO + NC на выходе (черный провод) будет плюс и будет (NO) замыкать цепь, а белый провод тоже плюс, но будет (NC) разрывать цепь. У всех производителей цвета проводов совпадают! Ещё раз повторим. По цветам: коричневый + питание, синий — питание, черный выход, если датчик четырех проводный, то добавляется белый NC (Normally Closed).
Скрытый/выступающий монтаж цилиндрических датчиков:
Если датчик установлен внутри какой-либо конструкции, то он будет обнаруживать окружающие объекты, расположенные с боку передней части датчика.
Экранированные исполнения (заподлицо) датчиков позволяет решить эту проблему. Если нужно, чтобы датчик не выступал, то есть был в уровень с местом установки, ставится датчик скрытого монтажа. Называется «Монтаж заподлицо»! Датчик с выступающим монтажом (незаподлицо) работает не только прямо но и в стороны, а скрытый (заподлицо) работает только прямо!
Зона чувствительности: нахождение любого предмета на этом расстоянии активирует выход датчика. Зона срабатывания зависит напрямую от размера датчика. Чем больше датчик, тем больше зона срабатывания.
У датчика с диаметром М18 — зона срабатывания 8 мм,
У датчика с диаметром M30 — зона срабатывания 15 мм.
Маркировка датчика. Из маркировки можно понять, характеристики датчика. Например, у датчика СR18-8DP следующие характеристики:
- С — емкостной датчик приближения;
- R — цилиндрический тип;
- 18 — диаметр датчика в миллиметрах;
- 8 — расстояние срабатывания в миллиметрах;
- D — напряжение электропитания;
- P — тип выходного сигнала (в данном случае — PNP, нормально открытый).
Прочитав маркировку, можно понять диаметр, зону срабатывания и определить выходной сигнал.
Рассмотрели только цилиндрические емкостные датчики, которые применяются для автоматизации технологических операций. Так же есть емкостные датчики уровня с выходом 4-20 мА. Но эти датчики рассмотрим в следующих статьях. Разного рода емкостные датчики кругом в нашей жизни и даже в космических аппаратах. Конструктивно совершенно другие, но работают по ёмкостному принципу, например, тактильные датчики таких устройств, как планшеты и мобильные телефоны. Эти ёмкостные датчики определяют отсутствие или присутствие пальца человека и работают как альтернатива кнопочному переключателю.