Емкостный датчик: как работает, где применяется и как проверить

Емкостные датчики: описание и назначение

Если совсем упростить, емкостный датчик – это конденсатор, у которого одну сторону «вынесли наружу». Две пластины конденсатора спрятаны в торце корпуса, а диэлектриком между ними служит все, что оказывается перед прибором: воздух, пластик, зерно, жидкость. Как только в зону попадает объект, емкость меняется, и электроника превращает это изменение в сигнал для контроллера.

Отсюда главное отличие от индуктивных собратьев. Тем нужен металл, а емкостные датчики реагируют почти на все подряд: сталь и алюминий, стекло, дерево, картон, сыпучие продукты, воду и растворы. Поэтому их чаще всего ставят там, где надо заметить неметаллический предмет или проследить за уровнем вещества в резервуаре. В этой всеядности и есть главная сила емкостных датчиков.

Внешне устройство ничем не выделяется: цилиндр с резьбой M12–M30 или прямоугольный корпус, кабель или разъем, светодиод и маленький винт регулировки. Как раз по этому винту емкостный прибор легко отличить от индуктивного на глаз – у второго его обычно нет.

Принцип работы: как работает емкостной датчик

На чем бы ни были построены емкостные датчики, принцип работы у всех общий, и его удобно разложить на несколько шагов.

Внутри стоит генератор, в колебательный контур которого включены электроды чувствительного элемента – те самые открытые пластины. Пока перед торцом пусто, емкость мала, и генератор работает на грани срыва: колебания слабые или их нет вовсе.

Когда к торцу приближается объект, емкость растет, генератор «раскачивается», и амплитуда колебаний генератора увеличивается. Демодулятор выпрямляет переменное напряжение, триггер сравнивает его с порогом, а выходной ключ переключает нагрузку. Так формируется выходной сигнал – дискретный «есть / нет» или аналоговый, в зависимости от исполнения.

Путь сигнала внутри корпуса: от пластин на торце до выходного ключа, который сообщает о срабатывании контроллеру.

У индуктивного датчика все происходит наоборот: металл гасит колебания. Здесь же объект их запускает. На практике разница не важна, но она хорошо объясняет, почему емкостный прибор так чутко отзывается на влагу и грязь – они тоже увеличивают емкость.

Пока объекта нет, колебания не доходят до порога. Стоит ему войти в зону – амплитуда растет, и выход включается.

Принцип действия в одной формуле

Весь принцип действия сводится к школьной формуле. Емкость плоского конденсатора считают так: C = ε₀ · ε · S / d. Здесь S – площадь пластин конденсатора, d – расстояние между ними, ε – диэлектрическая проницаемость среды.

В датчике приближения пластины не стоят друг напротив друга: поле выходит из торца наружу дугой, и объект попадает в это краевое поле. Поэтому формула описывает не точный расчет, а тенденцию. Чем выше диэлектрическая проницаемость вещества и чем ближе оно к торцу, тем сильнее растет емкость и тем раньше наступает срабатывание. Заземленный металл датчик замечает особенно уверенно: такой объект сам становится второй обкладкой.

Чем длиннее полоса, тем легче датчику заметить материал. Значения усредненные: у влажных веществ ε заметно выше.

Устройство емкостного датчика

Внутри корпуса емкостного датчика обычно шесть узлов:

• Чувствительный элемент – электроды в торце. В хороших моделях к ним добавлен компенсационный электрод, который снижает влияние налипшей пыли и влаги.
• Генератор – RC-схема, частота и амплитуда которой зависят от емкости на торце.
• Демодулятор и триггер – переводят колебания в четкий уровень и задают гистерезис, чтобы выход не «дребезжал» на границе зоны.
• Выходной каскад – транзистор PNP или NPN, реже реле или аналоговый выход 4–20 мА либо 0–10 В.
• Регулятор чувствительности – многооборотный потенциометр. С его помощью прибор «учат» не замечать стенку бака и замечать продукт за ней.
• Корпус – никелированная латунь, нержавеющая сталь или пластик PBT. Торец всегда неметаллический, иначе поле не выйдет наружу.

Виды емкостных датчиков и принцип срабатывания

Корпус и принцип у всех схожи, а задачи разные. По назначению выделяют несколько групп:

По способу монтажа модели делят на два исполнения. Экранированные встраиваются заподлицо в металл, их поле направлено строго вперед. Неэкранированные «светят» еще и в стороны, при этом дают больший зазор и лучше видят сквозь стенку тары. Для работы с сыпучими и жидкими средами обычно берут именно их.

Датчики уровня: контроль уровня жидкости и сыпучих материалов

После конвейеров это самое массовое применение. Подходит технология как для жидкостей, так и для сыпучих сред. Емкостные датчики уровня используются для двух задач: контроль уровня в одной точке и непрерывное измерение по всей высоте. Емкостной технологии безразлично, прозрачна жидкость или мутная, пенится она или нет. У зонда нет подвижных частей, которые могли бы заклинить, как у поплавка, а значит, и обслуживать почти нечего.

Емкостной датчик уровня: как работает сигнализатор

Для контроля верхней или нижней отметки сигнализатор вворачивают в штуцер на нужной высоте. Если стенка бака неметаллическая, его можно просто закрепить снаружи: металл поле не пропускает, а пластик и стекло – пропускают. Когда продукт поднимается до отметки и закрывает торец, емкость растет, и выход переключается. Сквозь пластиковую или стеклянную стенку толщиной в несколько миллиметров прибор замечает жидкость, вообще ее не касаясь. Такой способ контроля уровня жидкости удобен для пищевой и химической промышленности, где каждая врезка – лишний риск протечки.

Непрерывное измерение уровня

Для измерения уровня жидкости по всей высоте используют стержневой зонд. Он работает как одна обкладка, а металлическая стенка резервуара или второй электрод – как другая. Чем выше поднимается жидкость, тем большую часть зонда она окружает и тем больше емкость. Электроника пересчитывает ее в токовый сигнал 4–20 мА, пропорциональный уровню.

Зонд и стенка бака образуют конденсатор. Емкость растет вместе с уровнем, поэтому график получается почти прямым.

Особенности контроля уровня сыпучих сред

Зерно, мука, цемент и пластиковые гранулы имеют низкую проницаемость, обычно 2–5, и к тому же налипают на зонд. Поэтому для таких продуктов чувствительность выставляют по реальной среде, а не по паспорту. В пыльных бункерах лучше выбирать модели с компенсацией налипания, иначе прибор однажды «решит», что бункер полон навсегда.

Емкостной датчик давления: принцип работы мембраны

Здесь обкладки уже не открыты наружу, а спрятаны внутри. Одна неподвижна, вторая – тонкая мембрана, на которую давит среда. Под нагрузкой мембрана прогибается, зазор между пластинами уменьшается, емкость растет. Схема измеряет это изменение и выдает сигнал, пропорциональный давлению.

Достаточно прогиба мембраны на доли миллиметра, чтобы емкость заметно изменилась.

Мембрану часто делают из керамики на основе оксида алюминия. Такие сенсоры спокойно переносят перегрузки, не боятся агрессивных сред и мало «уплывают» со временем. Дифференциальная схема с двумя неподвижными электродами по обе стороны мембраны позволяет мерить перепад давлений и заодно компенсировать влияние температуры.

Применение емкостного датчика в промышленности

Емкостные приборы применяются для задач в различных отраслях – там, где индуктивный слеп, а оптический слишком капризен из-за пыли или прозрачного объекта. Основные области применения:

• Пищевые производства. Контроль наполнения бутылок и пакетов, наличие продукта в бункере, уровень молока или сиропа через стенку тары.
• Упаковка и полиграфия. Счет коробок, обнаружение пленки, бумаги, картона, а также обрыв ленты.
• Деревообработка. Наличие заготовки на столе станка, подача досок и плит.
• Химия и фармацевтика. Сигнал уровня реагентов без контакта с агрессивной средой.
• Агросектор. Уровень зерна и комбикорма в силосах.
• Машиностроение. Контроль пластиковых и резиновых деталей, которые индуктивный датчик пропустит.
• Быт и электроника. Сенсорные кнопки, экраны смартфонов, датчики влажности почвы.

А вот если цель металлическая, а вокруг вода, стружка и эмульсия, проще поставить индуктивный прибор: он не обратит внимания на брызги.

Параметры емкостного датчика, которые стоит проверить в паспорте

В каталоге у каждого устройства десятки строк. Для выбора датчиков хватает тех, что собраны в таблице ниже.

Материал объекта и реальная дистанция срабатывания

Паспортное Sn справедливо только для металлической пластины. Для других объектов его умножают на поправочный коэффициент. Цифры ниже ориентировочные, точные значения для своей модели смотрите в документации производителя.

Типовые размеры корпуса и зазор

Плюсы и недостатки емкостных датчиков

Емкостные датчики в каталоге Promair

Три направления из нашего каталога, которые закрывают большинство задач: выключатели Autonics для конвейеров, датчики Leuze для сложных сред и сигнализаторы для резервуаров.

Ёмкостный выключатель Autonics серии CR

Цилиндрические модели с регулировкой чувствительности для обнаружения неметаллических объектов и уровня продукта.

Подробнее

Ёмкостные датчики Leuze

Кубические и цилиндрические исполнения, версии с IO-Link и корпусом из PTFE для агрессивных сред.

Подробнее

Емкостно-частотные датчики уровня

Сигнализаторы для жидкостей и сыпучих материалов в баках, бункерах и силосах.

Подробнее

Нужна модель с другим корпусом, выходом PNP/NPN или защитой IP69K? Смотрите весь раздел:

→ Ёмкостные датчики в каталоге Promair.by

Как проверить емкостный датчик: пошаговая диагностика

Прежде чем заказывать замену, потратьте десять минут на проверку. Нередко прибор исправен, а виноваты грязь на торце, сбитая настройка или обрыв провода. Понадобятся мультиметр, отвертка для регулировочного винта и любой подходящий объект – ладонь, бутылка с водой, кусок пластика.

Стандартная расцветка трехпроводных моделей: коричневый – плюс, синий – минус, черный – выход.

1. Осмотрите торец и кабель. Налипший продукт, пленка масла, капли конденсата, трещины на корпусе – частые причины ложных сигналов. Протрите торец сухой тканью.
2. Проверьте питание. У трехпроводной модели мультиметр в режиме постоянного напряжения между коричневым и синим проводом должен показать значение из паспорта, обычно 10–30 В.
3. Поднесите объект. Если датчик жив, при приближении загорится светодиод. Отметьте, на каком расстоянии это произошло, и сравните с Sn с учетом коэффициента материала.
4. Измерьте выход. Мерить нужно при подключенной нагрузке: входе ПЛК, реле или резисторе на несколько килоом. Без нагрузки выключенный выход «висит в воздухе», и мультиметр может показать что угодно. Для схемы PNP измеряйте между черным и синим проводом: при срабатывании там почти полное напряжение питания, без срабатывания – около нуля. Для NPN – между коричневым и черным, картина та же.
5. Подстройте чувствительность. Делайте это на месте установки и с реальным фоном: перед датчиком должна стоять пустая тара или стенка бака без продукта. Медленно прибавляйте чувствительность, пока выход не включится. Затем уменьшайте ее до выключения и уберите еще пол-оборота для запаса. Подайте продукт и убедитесь, что датчик его видит, а после того как продукт уберут, выход снова выключается.
6. Проверьте на дребезг. Медленно проведите объект через границу зоны. Переключение должно быть одно, без мигания. Мигает – значит, на торце влага или рядом сильный источник помех вроде частотного преобразователя.

У аналоговых уровнемеров проверка другая: мультиметр включают в разрыв токовой петли. На пустом баке должно быть около 4 мА, на полном – около 20 мА. Если ток стоит на месте при любом уровне, проверьте изоляцию зонда и емкость между зондом и стенкой LCR-метром.

Двухпроводные датчики проверяют иначе. Отдельного выхода у них нет: прибор включается последовательно с нагрузкой, а в выключенном состоянии через нее течет небольшой ток утечки. Поэтому измерять напряжение на нагрузке можно только при собранной цепи. Подключать двухпроводный датчик напрямую к источнику без нагрузки нельзя: это короткое замыкание, и прибор выйдет из строя.