Kapacitní snímače přiblížení, podle názvu, by měly být opakem k snímačům indukčním ve smyslu materiálu, jehož přiblížení detekují. Svou konstrukcí však zvládnou i některé aplikace méně vhodné pro indukční princip detekce. Zatímco indukční snímače mohou reagovat jen na elektricky vodivé materiály, kapacitní snímače detekují 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 snímačů. Obecný princip a funkce je však shodný a právě obecným vlastnostem jsem věnoval tento článek.
Použití kapacitních snímačů
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 kapacitního snímače
|
Běžný kapacitní snímač přiblížení válcového provedení obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů, které pracují v posloupnosti:
|
Řazení bloků uvnitř běžného kapacitního snímače. |
|
Hlavním aktivním prvkem kapacitního snímače je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra, 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. 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 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. |
Princip kapacitního snímače. |
Příklad funkce logického výstupu kapacitních snímačů.
Z pohledu náhradního obvodu (N.O.), tvořeného přiblíženým předmětem o konkrétním materiálu a kapacitním snímačem, lze princip měření rozdělit do třech následujících kategorií:
- Přiblížení el. nevodivého materiálu s danou permitivitou - N.O. se chová jako klasický kondenzátor s dielektrikem
- Přiblížení el. vodivého materiálu neuzemněného - 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 - 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.
|
Provedení s el. nevodivým materiálem. |
Provedení s el. vodivým materiálem neuzemněným. |
Provedení s el. vodivým materiálem uzemněným. |
Redukční činitel
U kapacitních snímačů, stejně jako u indukčních, 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. Snímací vzdálenost může být rovněž ovlivněna teplotou, protože εr je teplotně závislé. Definice ostatních katalogových parametrů odpovídá definicím u indukčních snímačů (viz. článek "Indukční snímače přiblížení - obecný popis").
|
Materiál |
Dielektrická konstanta |
Redukční činitel |
|
Vzduch |
1 |
0 |
|
Teflon |
2 |
0.2 |
|
Olej |
2.2 |
0.25 |
|
PVC |
2.9 |
0.27 |
|
Plexisklo |
3.2 |
0.29 |
|
Sklo |
5 |
0.4 |
|
Voda |
80 |
1 |
|
Kov |
- |
1 |
Dielektrické konstanty a redukční činitele některých materiálů.
Provedení běžných snímačů
Běžně vyráběné kapacitní snímače se obvykle vyrábějí v podobných provedeních jako indukční snímače. Proto pro podrobnější popis odkazuji právě na článek "Indukční snímače přiblížení - obecný popis".
Elektrické vlastnosti
Stejně jako indukční snímače, 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.
Typické 2vodičové a 4vodičové výstupy kapacitních snímačů.
Mechanické upevnění
Z pohledu mechanické zabudovatelnosti snímače do zařízení se vyrábí ve dvou provedeních:
- vestavné provedení (flush)
- nevestavné provedení (Non-flush)
Vestavné (vpravo) a nevestavné (vlevo) provedení a připevnění snímačů.
Dále pak existují různá tvarová provedení pouzdra:
- válcová - ty lze dále rozdělit, podle možnosti upevnění, na senzory bez závitu (hladké) a s upevňovacím závitem (M8, M12, M18, M30 apod.).
- kvádrová - mají různé rozměry a nebývají v případě indukčních snímačů příliš běžná. Využívají se hlavně pro velké snímací dosahy až 50 mm.
Závěr
Kapacitní snímače jsou další z možností, jak i v obtížných podmínkách bezkontaktně detekovat nebo zjišťovat přiblížení objektů. Výhodou proti indukčním snímačům je možnost nasazení na téměř všechny materiály. Nevýhodou pak větší vliv rušení a nižší spínací frekvence. Hlavní použití tak obvykle spočívá v detekci el. nevodivých pevných, sypkých i tekutých materiálů. V oblasti detekce kovových předmětů je výhodné jejich nasazení v případech, kde nám již vadí nízká citlivost indukčních snímačů.
Odkazy:
- Webové stránky společnosti 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
- Článek o indukčních senzorech přiblížení na stánkách automatizace.HW.cz
- Další články týkající se průmyslových snímačů najdete na serveru automatizace.HW.cz.
