Kapacitní senzory přiblížení umožňují bezkontaktně detekovat, příp. měřit, přiblížení předmětů na vzdálenosti až několik desítek mm. Jejich hlavní výhodou je možnost detekovat prakticky libovolný materiál a montážní provedení shodné s indukčními senzory.

Kapacitní senzory přiblížení, podle názvu, by měly být opak k senzorům indukčním ve smyslu materiálu, jehož přiblížení detekují. Svou konstrukcí však zvládnou i některé aplikace méně vhodné pro indukční senzory. Zatímco indukční senzory mohou detekovat jen elektricky vodivé materiály, kapacitní senzory jak ty nevodivé, tvářící se jako dielektrikum, tak i ty vodivé. U nich se pak uplatňuje jako dielektrikum vzduch mezi senzorem a detekovanou kovovou ploškou.

Dnes je na celosvětovém trhu nepřeberné množství výrobců těchto senzorů. Obecný princip a funkce je však shodný a právě obecným vlastnostem jsem věnoval část tohoto článku. Pro praktickou ukázku reálných senzorů jsem pak vybral ty v nabídce firmy SICK.

Použití

Kapacitní senzory mají podobné uplatnění jako ty indukční:

 

• Typicky pro snímání polohy nekovových materiálů
• Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, detekce tloušťky materiálu ...
• Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky
• Dřevoobráběcí stroje
• Montážní linky - nastavení pozice
• Textilní stroje
• Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
• Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky...
• Detekce malých kovových plošek (lepší citlivost než indukční senzory)

Princip běžného kapacitního senzoru

Běžný indukční senzor přiblížení válcového provedení obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů, které pracují v posloupnosti, jak je zobrazeno na obrázku 2. RC Oscilátor (OSC) Vyhodnocovací obvody - komparátor v případě diskrétního výstupu Koncový stupeň (výkonový)

Obr. 1. Řazení bloků uvnitř běžného válcového senzoru

 

Hlavním aktivním prvkem kapacitního senzoru je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra (viz. obrázek 2.), které působí i jako stínění. Vytvářejí tak kondenzátor, který má nějakou základní kapacitu, která se pak dále mění se změnou dielektrika - přiblížení detekovaného objektu. Kapacitní snímač je pak doplněn rezistorem, s kterým je součástí RC oscilátoru (viz. obrázek 1.). Ten je tedy rozlaďován právě změnou kapacity aktivního snímače. Výstupní napěťový signál oscilátoru je usměrněn a filtrován pro získání stejnosměrné složky. Ta je poté porovnávána v komparátoru s referencí a logický výstup Q (viz. obrázek 3.) již řídí výstupní výkonový spínací stupeň. V případě analogového provedení je použit převodník frekvence-napětí a výstup je koncipován jako lineární závislost napětí nebo proudu na přiblížení předmětu k senzoru.

Obr. 2. Princip kapacitního snímače

Z pohledu náhradního obvodu (N.O.), tvořeného přiblíženým předmětem o konkrétním materiálu a kapacitním snímačem senzoru, lze princip měření rozdělit do třech kategorií:

• Přiblížení el. nevodivého materiálu s danou permitivitou (obr. 4.) - N.O. se chová jako klasický kondenzátor s dielektrikem
• Přiblížení el. vodivého materiálu neuzemněného (obr. 5.) - přiblížený předmět se chová jako další elektroda a uplatní pouze permitivita vzduchu mezi snímačem a předmětem. N.O. se chová jako dva sériově zapojené vzduchové kondenzátory
• Přiblížení el. vodivého materiálu uzemněného (obr. 6.) - přiblížený předmět se chová jako uzemněná elektroda. Uplatní pouze permitivita vzduchu mezi snímačem a předmětem, přičemž N.O. se chová jako paralelní zapojení dvou vzduchových kondenzátorů.

 

Obr. 4. Senzor s el. nevodivým materiálem

Obr. 5. Senzor s el. vodivým materiálem neuzemněným

Obr. 6. Senzor s el. vodivým materiálem uzemněným

Redukční činitel

U kapacitních senzorů, stejně jako u induktivních, souvisí maximální detekovatelná vzdálenost na materiálu detekovaného objektu. Ta se změní o násobek redukčního činitele (koeficientu). U kapacitních senzorů je rozhodující relativní permitivita εr detekovaného materiálu (viz. tabulka 1.). Snímací vzdálenost může být rovněž ovlivněna teplotou, protože εr je teplotně závislé. Definice ostatních katalogovývh parametrů odpovídá definicím u indukčních senzorů (viz. článek "Indukční senzory přiblížení - obecný popis").

 

Provedení běžných senzorů

Běžně vyráběné kapacitní senzory se obvykle vyrábějí v podobných provedeních jako indukční senzory. Proto pro podrobnější popis odkazuji právě na článek "Indukční senzory přiblížení - obecný popis".

Elektrické vlastnosti

Stejně jako indukční senzory, i kapacitní se v praxi nejčastěji vyrábí s 2m PVC kabelem nebo 4pinovým konektorem pro připojení. Také je lze podle typu spínání zátěže při přiblížení předmětu rozdělit na spínací PNP nebo rozpínací NPN - viz. obrázek 7.

Mechanické upevnění

Z pohledu mechanické zabudovatelnosti senzoru do zařízení se vyrábí ve dvou provedeních (viz. obrázek 8.):

 

• vestavné provedení (flush)
• nevestavné provedení (Non-flush)

Dále pak existují různá tvarová provedení pouzdra:

• válcová - ty lze rozdělit dále rozdělit, podle možnosti upevnění, na senzory bez závitu (hladké) a s upevňovacím závitem (M8, M12, M18, M30 apod.).
• kvádrová

Kapacitní senzory přiblížení firmy SICK

Firma SICK se nabízí široký sortiment průmyslových senzorů pro různé účely. Pro oblast detekce přiblížení a měření vzdálenosti nabízí indukční, kapacitní, ultrazvukové i optické senzory. V nabídce jsou 3 řady kapacitních senzorů:

• Válcové provedení s rozměry M18x1 - řada CM18
• Válcové provedení s průměrem M30x1.5 - řada CM30
• Kvádrové provedení s rozměry 35 x 15 x 57,5/60,5 mm - CQ35

Řada CM18

Obecné vlastnosti:

• válcové vestavné provedení
• max. detekovatelná vzdálenost: 8mm (CM18-08xx-xx) nebo 12mm (CM18-12xx-xx)
• výstup NPN nebo PNP
• propojení: kabel PVC 2m nebo 4pin. konektor M12
• teplotní rozsah: -25°C až 80°C
• max. spínací rychlost 30 Hz
• napájení DC 10 ... 40 V
• hystereze 4 až 20% ze spínací vzdálenosti
• mechanická ochrana IP67
• teplotní drift 10%

Řada CM30

Obecné vlastnosti:

• válcové vestavné provedení
• max. detekovatelná vzdálenost: 16mm (CM30-16xx-xx) nebo 25mm (CM30-25xx-xx)
• výstup NPN nebo PNP
• propojení: kabel PVC 2m nebo 4pin. konektor M12
• teplotní rozsah: -25°C až 80°C
• max. spínací rychlost 50 Hz
• napájení DC 10 ... 40 V
• hystereze 4 až 20% ze spínací vzdálenosti
• mechanická ochrana IP67
• teplotní drift 10%

Řada CQ35

Obecné vlastnosti:

• kvádrové provedení - rozměry: 35 x 15 x 57.5/60.5/69.5 mm (dle provedení)
• max. detekovatelná vzdálenost: 16mm (CQ35-16xx-xx) nebo 25mm (CQ35-25xx-xx)
• výstup NPN nebo PNP
• propojení: kabel PVC 2m nebo 4pin. konektor M12
• teplotní rozsah: -25°C až 75°C
• max. spínací rychlost 50 Hz
• napájení DC 10 ... 40 V
• hystereze 4 až 20% ze spínací vzdálenosti
• mechanická ochrana IP67
• teplotní drift 10%

Závěr

Kapacitní senzory jsou další z možností, jak i v obtížných podmínkách bezkontaktně detekovat nebo zjišťovat přiblížení objektů. Výhodou proti indukčním senzorům je možnost nasazení na téměř všechny materiály. Nevýhodou je pak větší vliv rušení a nižší spínací frekvence. Hlavní použití tak obvykle je v detekci el. nevodivých pevných, sypkých i tekutých materiálů. V oblasti detekce kovových pak jde o nasazení v případech, kde již nám vadí nízká citlivost indukčních senzorů. Pro více teoretických informací o použití a vlivech rušení pak odkazuji na výbornou knihu z nakladatelství BEN - "Senzory v průmyslové praxi".

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka české pobočky firmy SICK, výrobce senzorů - www.sick.cz
• Domovská stránka firmy SICK - www.sick.com
  
  
• Martin Krupa: "Monitorování polohy a teploty objektu s využitím bezkontaktních senzorů", semestrální práce, FS VSB-TU Ostrava
• Ing. Radislav Martínek, "Senzory v průmyslové praxi", kniha vydavatelství BEN, 2004 - právě v prodeji
• Článek o indukčních senzorech přiblížení na stánkách automatizace.HW.cz
• Článek o indukčních senzorech s analogovým výstupem od Carlo Gavazzi na stánkách automatizace.HW.cz
• Článek o integrovaných senzorech tlaku na stánkách automatizace.HW.cz
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz