Прибор сигнализирующий емкостной что это такое
Емкостные извещатели охранной сигнализации
Емкостные извещатели охранной сигнализации. Виды. Принцип действия. Условное обозначение. Особенности применения.
Емкостные извещатели ранее широко использовались в качестве третьего рубежа охраны для защиты металлических сейфов и шкафов, но с появлением более современных средств обнаружения они отошли на второй план и сейчас используются в основном для защиты периметра.
Принцип действия
Принцип работы емкостных извещателей основан на фиксации изменения емкости охраняемого объекта к которому они подключены. Изменение емкости приводит к изменению частоты генератора, понижение этой частоты ниже определенного порога приводит к формированию сигнала “Тревога”. Чувствительность этих извещателей оценивается расстоянием до антенны, обычно составляет 10-30 см.
Учитывая, что такие извещатели чувствительны к электромагнитным помехам, а их в современном мире очень много, приходится применять сложные алгоритмы обработки полученных сигналов, чтобы отфильтровать все возникающие помехи и наводки.
Виды емкостных извещателей
Все емкостные датчики по зоне обнаружения относятся к поверхностным извещателям.
Емкостные извещатели можно разделить на две группы по применению:
Условное обозначение
Условное обозначение емкостных извещателей установлено в рекомендациях Росгвардии
Р 071 – 2017 Технические средства систем безопасности объектов.
Обозначения условные графические элементов технических средств охраны, систем контроля и управления доступом, систем охранного телевидения
Особенности применения
Емкостные извещатели в помещении обычно используют для охраны металлических объектов – сейфов и шкафов. При этом извещатель должен находиться в непосредственной близости от защищаемого предмета, чтобы исключить попытки его отключения от охраняемого объекта без выдачи сигнала тревоги. Например, как на рисунке.
Чтобы нарушитель не смог подобраться к сейфу незамеченным пути подхода защищают объемным извещателем.
Благодаря тому, что у ЧЭ нет определенной формы такие извещатели вполне эффективны при защите и неметаллических предметов, например: картин, гобеленов и пр. Можно даже не отключать его в неохраняемое время, главное, чтобы к предмету не приближались и не касались его.
Допускается блокировка такими емкостными датчиками дверей и окон. Чувствительный элемент в виде провода можно проложить по периметру конструкции. Тем самым можно отказаться от использования магнитоконтактных и поверхностных извещателей.
При использовании емкостных датчиков для охраны периметра – чувствительный элемент выглядит как металлическая сетка. Используется для защиты ограждающих конструкций от “перелаза”.
Защита периметра с помощью емкостных извещателей
Наряду с очевидными достоинствами:
Емкостные извещатели обладают и недостатками:
Вывод
Емкостные извещатели позволяют сформировать сигнал “Тревога” заранее, до того как злоумышленник прикоснулся к охраняемому предмету или поверхности. Их ЧЭ легко замаскировать, можно не отключать в неохраняемое время и они довольно эффективны в применении в музеях, выставочных залах, достаточно лишь оградить защищаемые экспонаты, чтобы к ним не приближались посетители.
Благодаря продвинутым алгоритмам обработки поступающих сигналов такие извещатели можно использовать для охраны участков периметра, где сложно создать полосу отчуждения для использования оптикоэлектронных или радиоволновых извещателей.
Поэтому перед тем, как приступать к подготовке технического задания или проектированию тщательно проанализируйте все слабые места объекта и выберите наиболее эффективные средства защиты.
Если статья показалась Вам интересной, поделитесь ею в социальных сетях.
ЕМКОСТНОЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ
Емкостные охранные извещатели служат для обнаружения прикосновения или приближения к оборудованному ими предмету. Принцип их действия заключается и отслеживании изменения емкости охраняемого металлического изделия.
В первом случае это такие модели как «Риф» и «Пик». В качестве линейных используются извещатели «Радиан». Самое интересно, что здесь перечислены, наверное все виды выпускаемых емкостных извещателей.
Используются они редко. Главным образом, это определяется их чувствительностью к внешним помехам, а также жесткими требованиями к установке и размещению.
Дело в том, что емкость любого предмета может меняться в зависимости от внешних условий. Например, влажность вызывает увеличение токов утечки, что ведет к изменению емкости и вероятности ложного срабатывания.
В свете сказанного может вызвать недоумение применение применение емкостных линейных извещателей для уличной установки – «Радиан».
Это устройство предназначено для охраны периметров, протяженностью до 500 метров. Контролируемое (сигнальное) ограждение должно быть металлическим и установлено на электрические изоляторы.
Поскольку уличные условия эксплуатации подразумевают периодическое выпадение осадков, наличие электромагнитных помех, как от стационарных, так и мобильных источников, наведенных в результате грозовых разрядов и пр., в извещателе используется сложный алгоритм обработки сигналов, который, в принципе, со своими задачами справляется.
Датчики «Риф» и «Пик» предназначены, главным образом, для блокировки металлических шкафов и сейфов. Установлены блокируемые предметы должны быть на сухую, не проводящую электричество поверхность. Для обеспечения устойчивой работы сигнализации рекомендуется установка защищаемых конструкций на резиновые коврики.
Сами приборы нужно заземлять, причем, водопроводные и газовые трубы использовать для этих целей нельзя. Это должно быть или специально выполненное заземление либо металлические элементы строительной конструкции, например, арматура. Сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом.
Из сказанного должно быть ясна низкая популярность емкостных извещателей – сложность в установке, настройке и обслуживании.
Вибрационные датчики для этих целей удобнее, хотя и срабатывают, в отличии от рассматриваемых только при механическом воздействии на конструкцию, то есть не обеспечивают раннего обнаружения. Но во многих случаях этим можно пренебречь.
Есть еще одно интересное применение емкостных датчиков: блокировка окон и дверей. При этом антенна (провод) располагается по периметру дверной коробки, оконного проема, переплету рам.
Все это можно сделать аккуратно и скрыто, что является плюсом для помещений с повышенными требованию к дизайнерскому оформлению. При этом другие типы извещателей можно не использовать. Хорошая идея, кстати, но тоже редко реализуемая.
Следует обратить внимание на особенность емкостного принципа обнаружения, присущего также и радиоволновым извещателям – срабатывания, вызванные перемещениями людей (животных, предметов) со стороны неохраняемого помещения (объекта).
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и официальных документов
Емкостные датчики и принципы их работы
Емкостной датчик, как его определяет Большая Советская Энциклопедия, — измерительный преобразователь, позволяющий неэлектрические величины перевести в значения электрической емкости. Например, такие как давление, уровень жидкости, механическое усилие, влажность, и прочие. Изменения емкости оказываются пропорциональны колебаниям измеряемой величины, и это соответствие позволяет отследить ее поведение.
Как работает такой измеритель
По сути дела, подобный сенсор представляет собой конденсатор. На определении его характеристики базируется работа измерителя и контроль параметров. Поэтому вполне к месту будет вспомнить о том, что такое конденсатор.
Про конденсатор, его характеристики
Как известно, емкость конденсатора определяется формулой
В этой формуле три переменные величины — диэлектрическая проницаемость Ɛ, площадь S обкладок конденсатора и зазор между обкладками d. Изменение любой из них приведет к изменению емкости, а отслеживание колебаний позволит контролировать характеристики среды или другого параметра.
Принцип работы емкостного измерителя
Самое простое техническое решение — включить измерительный сенсор во времязадающую цепь генератора. Не вдаваясь в тонкости схемотехники, можно сказать, что принцип работы любого емкостного датчика тем или иным образом связан с изменением параметров генератора. Это происходит из-за колебаний емкости конденсатора, что приводит к генерации им колебаний другой частоты.
Таким образом, отслеживая ее значение на выходе измерителя, можно оценивать изменения контролируемого параметра. Конечно, в каждом конкретном случае схемотехническое решение может быть разным. Во многом оно будет зависеть от параметра конденсатора, на который оказывается воздействие со стороны внешней среды.
Это может быть изменение зазора между обкладками конденсатора из-за их сближения или удаления. Или при заполнении резервуара другой средой, например водой, изменится значение диэлектрической проницаемости. Или обкладки конденсатора после внешних воздействий будут располагаться друг относительно друга по-разному.
Любое подобное воздействие вызовет изменение значения емкости конденсатора, а значит, повлияет на работу схемы. Например, емкостные датчики уровня контролируют степень заполнения резервуара или бункера. Зная зависимость между уровнем жидкости и емкостью конденсатора, можно определить, насколько заполнен бак.
Хотя надо отметить, что могут применяться и другие способы обработки сигналов датчика. Их достаточно много, выбор того или иного зависит от конкретных условий. Современный уровень развития электроники позволяет получать обработанный сигнал в виде цифрового кода.
Еще один метод измерения емкости — использование аналого-цифровых преобразователей. Микроконтроллеры вполне могут справиться подобной задачей. В этом случае значительно упрощается измерительная часть приборов на их основе.
Какие бывают датчики
Все измерители на основе ёмкостного сенсора можно разделить на:
Необходимо отметить, что конструктивно емкостные датчики могут быть:
Сфера применения любых из них достаточно обширна. Как пример, по функциональному назначению их можно использовать в роли:
Этими примерами далеко не исчерпываются варианты применения емкостных измерителей. Ниже будут рассмотрены и другие возможности, предоставляемые этими приборами.
Одноемкостные датчики
Это самые простые сенсоры. По сути, они являются обычными конденсаторами переменной емкости, изменения которой отслеживаются специальной схемой. Ёмкостные измерители подобного типа подвержены сильному влиянию со стороны внешней среды. Лучше всего на их основе реализовывать различные бесконтактные варианты контроля, например приближения посторонних лиц к охраняемой зоне или движения в ней.
Как выглядят на практике подобные конденсаторы, можно понять из приведенных ниже рисунков.
Двухемкостные датчики
Позволяют уменьшить влияние внешней среды. Ёмкостный сенсор подобного типа отличается большей точностью измерения из-за того, что один конденсатор служит в качестве эталонного. Это позволяет компенсировать стороннее влияние. Двухемкостные датчики бывают дифференциальными и полудифференциальными. Схематически примеры построения подобных приборов показаны ниже.
Другой способ повысить чувствительность емкостного измерителя — использовать мостовую схему включения.
Датчики уровня
Емкостные датчики уровня — устройства, позволяющие контролировать уровень жидкого или сыпучего вещества в баке или бункере. Конечно, конструктивное исполнение вариантов измерителей для различных веществ будет разным, но принцип останется неизменным.
Фактически емкостные датчики уровня подобного типа являются двумя конденсаторами, соединенными между собой параллельно. Только у одного диэлектриком служит воздух, а у другого — жидкость или иное вещество. Таким образом, емкость каждого из них будет разная, она будет меняться и зависеть от степени заполнения бункера (бака).
Приведенный рисунок или схема емкостного датчика отличается простотой построения и универсальностью. Однако, чтобы повысить точность измерения, лучше всего, как минимум, дополнительно контролировать температуру жидкости, от нее зависит значение диэлектрической проницаемости. И в зависимости от температуры в расчетах необходимо будет использовать поправочный коэффициент.
Датчики линейного перемещения
Подобные устройства могут использоваться в самых разных целях, например для:
Датчики подобного типа могут работать на различных принципах. Ниже рассмотрим два варианта их реализации.
Датчики углового перемещения
По своей сути подобные сенсоры похожи на датчики линейного перемещения, и чаще всего для этих целей используют приборы с изменяемой площадью. Одна из обкладок конденсатора прикреплена к валу объекта, а другая остается неподвижной. Изменение степени перекрытия пластин вызывает колебания емкости.
Для повышения точности измерения чаше всего используют многосекционные преобразователи.
Инклинометр
Принцип работы такого устройства схож с тем, как работает емкостный датчик уровня. В специальной капсуле крепится подложка, на которой располагаются два изолированных участка, которые являются одним из выводов конденсатора. Внутри капсула заполнена токопроводящей жидкостью. Она является другим электродом конденсатора. Его емкость определяется положением прибора по вертикали и не зависит от угла наклона в других направлениях.
Датчик давления
В подобном измерителе давление вызывает изменение расстояния между обкладками конденсатора. Достигается это тем, что между его пластинами располагается эластичная мембрана, на которую и оказывается воздействие. Перегородка в зависимости от давления движется в ту или иную сторону, что приводит к изменению емкости.
Емкостные датчики прикосновения
Рассматривая разнообразные типы сенсоров на основе электрической емкости, нельзя обойти вниманием такое их использования как датчики прикосновения. Самым наглядным примером подобных приборов служат смартфоны. Реализация датчиков прикосновения может быть достаточно сложной, но она базируется на некоторых простых основополагающих принципах. Работа таких устройств основана:
Далее будет рассмотрен принцип работы датчиков прикосновения на основе собственной емкости.
Датчик на основе собственной емкости
Конденсатор существует не только в виде отдельного объемного элемента с выводами. Емкостью также обладают два обычных проводника, расположенные параллельно. Исходя из этого, можно получить конденсатор, основываясь на электропроводных слоях, разделенных каким-либо диэлектриком. Такой конденсатор может быть получен на основе печатной платы.
Он представлен на рисунке ниже (в двух проекциях — сверху и сбоку). Мы видим обособленный участок (сенсорная кнопка), отделенный от общего слоя меди. А так как остальные участки соединены с землей, то сенсорная площадка может быть представлена как конденсатор между ней и землей.
Емкость такого конденсатора будет мала, порядка 10 пФ. Но для различных устройств ее значение не принципиально. При контроле зачастую важна не емкость, а ее изменение. Именно на это рассчитаны те схемы, которые обрабатывают состояние сенсорной кнопки.
Как изменить состояние кнопки
Самое простое, что можно сделать, — прикоснуться пальцем. Надо сразу отметить, что никакой опасности для человека такое касание не представляет. Обычно все платы покрываются лаком, так что прямого контакта с токопроводящими элементами не произойдет. Тем не менее, изменения состояния конденсатора будут. Это возможно по двум причинам:
Тело обладает собственной диэлектрической проницаемостью
Вследствие того, что диэлектрическая проницаемость тела отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, который служит изолятором в первоначальный момент, то емкость конденсатора изменится. Здесь расчет простой — диэлектрическая проницаемость воздуха 1, а воды — 80 (человеческое тело по большей части состоит из воды). Значит, емкость сенсорной кнопки увеличится.
Для этого изменения даже не надо ее касаться. Как показали исследования ученых, порой достаточно просто поднести палец к контакту.
Тело обладает собственной проводимостью
Это давно установленный факт.
И хотя выше говорилось, что касание не несет опасности для человека, тем не менее, оно вносит свою лепту в изменение состояния сенсорной кнопки. Упрощенно можно считать, что емкость пальца подключена параллельно емкости сенсорной кнопки. Поэтому общая емкость системы, как и в предыдущем случае, увеличится. А значит, оба рассмотренных механизма (изменение диэлектрической проницаемости и собственная проводимость человеческого тела) приводят к увеличению емкости.
Использование емкостных датчиков прикосновения
Подобные сенсоры нашли широкое применение не так давно, хотя в повседневной жизни они встречаются повсеместно. Можно ожидать, что благодаря им использование механических переключателей и кнопок будет минимизировано. Самое главное — такая технология позволяет определить момент касания, а уж современная электроника его обработает без каких либо проблем.
Датчики присутствия
Другим, не менее важным и востребованным вариантом применения датчиков на основе емкости является их использование для обнаружения кого- или чего-либо в зоне контроля. Самый простой пример — включение освещения на лестничной площадке. Хотя этим далеко не исчерпываются возможности таких измерителей. Не менее востребовано применение таких сенсоров в системах охранной сигнализации. Или подсчета количества штучной продукции.
Как это работает
Выше уже отмечалось, что человеческое тело обладает определенной диэлектрической проницаемостью и проводимостью.
На рисунке представлено схематическое изображение такой системы. Имеются два электрода, подключенные к измерителю. Каждый из них обладает своей емкостью, обозначенной С1. В результате есть определенная результирующая емкость у всей системы.
При появлении в контролируемой зоне какого-то нового объекта, например человека, у системы образуются две дополнительные емкости: Са — между электродом и телом человека, и Сb — между человеком и землей. Результирующая емкость всей системы изменится, и это изменение может быть отслежено схемой контроля.
Еще один способ обнаружения присутствия
В этом случае также используется эффект увеличения емкости при появлении постороннего предмета в зоне контроля. Только в данном случае применяется механизм активного воздействия на контролируемый участок. Для этого используется схема датчика с активным излучателем.
В состав такого измерителя входят генератор сигналов, компаратор и усилитель-преобразователь. При включении схемы в пространстве перед измерителем возникает электрическое поле. Генератор настроен таким образом, чтобы при отсутствии посторонних предметов он не запускался. Достигается это тем, что свободное пространство считается развернутым конденсатором с диэлектрической проницаемостью равной 1. Значение емкости получается недостаточным для запуска генератора.
При появлении каких-либо материалов, объектов, людей перед измерителем диэлектрическая проницаемость среды изменяется (увеличивается), также растет емкость конденсатора. Это приводит к запуску генератора. Амплитуда колебаний будет зависеть от расстояния до предмета, его материала и диэлектрической проницаемости.
При достижении амплитуды колебаний определенной величины, срабатывает компаратор и выдает сигнал на усилитель. Посторонний предмет обнаружен.
Данная схема может применяться не только в системах охранной сигнализации для фиксации вторжения в закрытую зону, но и для других целей. На этом принципе может работать система подсчета количества штучного товара, например, упаковок молока, консервных банок или любых других аналогичных предметов.
Возможные сферы применения датчиков
Рассмотренные емкостные датчики уровня, давления, положения и другие типы подобных изделий, а также особенности конструкции, позволяют сделать вывод об их универсальности. А значит, они могут быть использованы в разных областях промышленности, схемах регулирования и контроля. В качестве примера можно назвать следующие области народного хозяйства, где могут применяться подобные измерители:
Использование емкостных преобразователей позволяет решить самые различные задачи. Перечислить их все просто нереально, но опять же в качестве примеров можно перечислить такие варианты их использования:
Преимущества емкостных датчиков
Среди несомненных достоинств таких сенсоров, где бы они ни применялись, хоть в Москве, хоть в Антарктиде, стоит отметить:
Недостатки датчиков
Однако для таких измерителей характерны и некоторые недостатки:
Где купить
Различные сенсорные устройства можно купить в специализированном магазине. Но существует другой вариант, который недавно получил ещё и значительные улучшения. Долго ждать посылку из Китая больше не требуется: в интернет-магазине АлиЭкспресс появилась возможность отгрузки с перевалочных складов, расположенных в различных странах. Например, при заказе вы можете указать опцию «Доставка из Российской Федерации».
Переходите по ссылкам и выбирайте:
Заключение
Различные измерители, построенные на емкостных датчиках, широко используются в самых разных отраслях промышленности, отличаются простотой в изготовлении и применении. Имеют длительный срок службы и высокую надежность.
Видео по теме
Прибор сигнализирующий емкостной
Ёмкостный датчик
 | Эту страницу предлагается объединить со страницей Емкостной уровнемер. Пояснение причин и обсуждение — на странице Википедия:К объединению/31 октября 2017. Обсуждение длится не менее недели (). Не удаляйте шаблон до подведения итога обсуждения. |
Емкостный сенсорный экран смартфонов
Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора.
Специальная схема преобразует изменение ёмкости в пороговый сигнал датчика (например сухой контакт). В простейших датчиках это обычно мультивибратор, преобразователь «частота (или скважность)-напряжение» и компаратор. Иногда, если изменение ёмкости в ответ на воздействие невелико, приходится ставить схемы на микроконтроллерах, которые занимаются автоподстройкой чувствительности и нуля датчика.
Ёмкостные датчики получили широкое распространение там, где необходимо контролировать появление слабопроводящих жидкостей, например воды. Это датчики уровня жидкости, датчики дождя в автомобилях, датчики в сенсорных кнопках на бытовой технике (в живых тканях много воды) и т. п.
Существуют также ёмкостные датчики уровня жидкости, широко используемые для измерения количества топлива на летательных аппаратах. Обычно датчик представляет собой пару вставленных друг в друга металлических цилиндров (иногда сложной формы, чтобы обеспечить линейность характеристики датчика при сложной форме бака), погруженных в топливо. Принцип действия датчиков основан на том, что ёмкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости изолятора, а ε у воздуха и топлива различается (порядка 1 и 1,8 соответственно). В результате при заполнении бака топливом возрастает реактивное сопротивление датчика. Питаются ёмкостные топливомеры, как правило, от общей сети ЛА напряжением 115 В частотой 400 Гц, которое для питания датчиков понижается.
Основные преимущества ёмкостных датчиков: высокий порог чувствительности и небольшая инерционность. Основные недостатки: сильное влияние внешних электромагнитных полей.
Специфическая разновидность датчиков — сенсорные экраны на ёмкостном принципе.
Модельный ряд емкостных датчиков для жидких продуктов
Емкостные датчики уровня жидких продуктов выпускаются в различных вариантах. Для работы в разных условиях подбирается датчик с необходимой формой и размером чувствительного элемента, конструкцией и размером корпуса. Модели также отличаются по типу установки и могут быть предназначены для встраивания в стенки или крышку резервуара, размещения рядом с емкостью, в подвесном варианте и других.
| Модель | Тип датчика | Длина зонда | Температура процесса | Давление | Выходы | Напряжение питания |
CleverLevel | Дискретный датчик уровня | — | -40…+85°С -40…+140°С -40…+200°С | до 100 бар | PNP, NPN, Цифровой (Push-pull) | 12,5…36В DC 12…30В DC |
RFnivo RF3000 | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 20м | -40…+500°С | до 25 бар | Реле DPDT 250В 8А DC 30В 5А | 21…230В AC/DC |
Nivocap CK-100 | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 10м | -30…+235°C | до 25 бар | Реле SPDT 250В 8А Электронный переключатель SPST 50В 350мА | 20…235В AC/DC |
FineTek SA | Сигнализатор с зондом в виде стержня или троса | до 5м | -20…+800°С | до 20 бар | Реле 250В 5А ТТР 240В 5А | 110…220В AC 24В DC |
NivoCap | Уровнемер | до 20м | -30…+200°C | до 40 бар | Токовый 4…20мА Выход на вольтметр Модуль SAP-202 Интерфейс HART-протокола | 12…36В DC |
FineTek EB | Уровнемер | до 50м | -20…+200°C | до 40 бар | Токовый 4…20мА | 12…36В DC |
Принцип работы емкостного датчика уровня для жидких продуктов
Емкостный датчик уровня жидкости имеет в составе специальный конденсатор, меняющий свою емкость в зависимости от среды, в которую датчик помещен. При этом конденсатор имеет очень высокую чувствительность, позволяющую работать и с веществами с минимальной диэлектрической проницаемостью, а также с диэлектриками.
Работа с датчиком строится следующим образом. Емкостный датчик размещается в резервуаре или трубе, предназначенной для жидкого материала. В качестве базового значения диэлектрической проницаемости используется проницаемость воздуха. В момент соприкосновения чувствительного элемента датчика с контролируемым веществом емкость конденсатора меняется, что приводит к срабатыванию датчика, и происходит фиксация уровня.
При необходимости емкостный датчик может проводить измерения уровня без контакта с жидкостью в случае работы с емкостями из материалов-диэлектриков. В этом случае фиксация уровня происходит через стенку или крышку резервуара при достижении жидкостью точки размещения чувствительного элемента датчика.
Бесконтактные датчики положения
2.1.1. Индуктивные датчики.
Индуктивный датчик — бесконтактный датчик предназначенный для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы.
Индуктивные датчики широко используются для решения задач АСУ ТП. Выполняются с нормально разомкнутым или нормально замкнутым контактом.
Принцип действия основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика.
Принцип действия бесконтактного конечного выключателя (ВК) основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного материала определенных размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Триггер преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень переключения и величину гистерезиса
Структура
Индуктивные бесконтактные выключатели состоят из следующих основных узлов:
Рис.2.4. Устройства индуктивного выключателя
1.Генератор создает электромагнитное поле взаимодействия с объектом.
2. Триггер обеспечивает гистерезис при переключении и необходимую длительность фронтов сигнала управления.
3. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала до необходимого значения.
4. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.
5. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
6. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.
Основные определения.
1. Активная зона
Активная зона бесконтактного индуктивного выключателя — та область перед его чувствительной поверхностью, где более всего сконцентрировано магнитное поле чувствительного элемента датчика. Диаметр этой поверхности приблизительно равен диаметру датчика.
Рис. 2.5. Активной зоны датчика
2.Номинальное расстояние срабатывания
Рис.2.6. Номинальное расстояние переключения
Номинальное расстояние переключения — теоретическая величина, не учитывающая разброс производственных параметров датчика, изменения температуры и напряжения питания.
Номинальное расстояние срабатывания (Sn) — основной параметр датчика, нормируемый для данного типоразмера при номинальном напряжении питания и температуре. Расстояние срабатывание увеличивается с ростом габаритов чувствительного элемента и, соответственно, с ростом габаритов датчика.
Согласно ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивный датчик должен срабатывать в гарантированном интервале срабатывания, а именно в диапазоне от 0 (то есть от поверхности чувствительной головки датчика) до 81% от заявляемого Sn для стандартизированного стального объекта воздействия.
Интервал срабатывания датчиков объективно зависит от температуры окружающей среды.
Как правило, датчик устанавливается так, чтобы объект воздействия (подвижный элемент конструкции) двигался параллельно чувствительной поверхности устройства.
3.Рабочий зазор
Рабочий зазор — это любое расстояние, обеспечивающее надежную работу бесконтактного выключателя в допустимых пределах температуры и напряжения.
4.Поправочный коэффициент рабочего зазора
Поправочный коэффициент дает возможность определить рабочий зазор, который зависит от металла, из которого изготовлен объект воздействия.
Различаются датчики утапливаемого исполнения (допускающие установку заподлицо в металл) и неутапливаемого. Во втором случае датчики имеют большее расстояние срабатывания.
На рисунке отображена зависимость выходного сигнала от расстояния до диска.
Рис.2.7. Поперечный датчик приближения зависимость выходного сигнала от расстояния.
2.1.2. Емкостные датчики.
Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.
Принцип действия емкостных бесконтактных выключателей
Емкостные датчики имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора.
Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал.
Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:
где e0 — диэлектрическая постоянная; e — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S — активная площадь обкладок; d — расстояние между обкладками конденсатора.
Зависимости C(S) и C(d) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.
Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.
Устройство и принципы работы емкостного датчика
Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика
Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом:
1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.
Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки «развернутого» конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn
Рис 2.9.Зависимость реального расстояния срабатывания Sr от диэлектрической проницаемости материала объекта er
Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов: Материал — er
Бумага…………………………………..2,3
Бумага промасленная…………4,0
Вода………………………………………80
Воздух……………………………………1,0
Древесина…………………………….2-7
Керосин…………………………………2,2
Мрамор………………………………….8,0
Нефть…………………………………….2,2
Спирт этиловый……………………25,8
Стекло…………………………………..5,0
Фторопласт (тефлон)…………..2,0
Фарфор………………………………….4,4
Фанера………………………………….4,0
Емкостные датчики могут быть однополярными (в их состав входит только один конденсатор), дифференциальными (в их состав входят два конденсатора) или мостовыми (здесь уже используются четыре конденсатора). В случае дифференциальных или мостовых сенсоров, один или два конденсатора являются либо постоянными, либо переменными, включенными навстречу друг другу.
На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его поверхность часто играет роль пластины конденсатора. На рис.3 отображена принципиальная схема однополярного емкостного датчика, в котором одна из пластин конденсатора соединена с центральным проводником коаксиального кабеля, а другой пластиной является сам объект. Отметим, что собственная пластина датчика окружается заземленным экраном, что позволяет улучшать линейность и уменьшать краевые эффекты. Типовой емкостной датчик работает на частотах 3-МГц диапазона и может детектировать перемещения быстро двигающихся объектов. Частотные характеристики такого датчика со встроенным электронным интерфейсом лежат в диапазоне 40 кГц.
Емкостные датчики приближения
Среди большого разнообразия емкостных конструкций порой бывает непросто выбрать наиболее подходящий для данного конкретного случая вариант емкостного датчика. Во многих публикациях на тему емкостных устройств область применения и отличительные особенности предлагаемых конструкций описываются весьма кратко и радиолюбитель зачастую не может сориентироваться – какую-же схему емкостного устройства следует предпочесть для повторения.
В данной статье приведено описание различных типов емкостных датчиков, даны их сравнительные характеристики и рекомендации по наиболее рациональному практическому использованию каждого конкретно взятого типа емкостных конструкций.
Как известно, емкостные датчики способны реагировать на любые предметы и, при этом, их расстояние срабатывания не зависит от таких свойств поверхности приближающегося объекта, как, например, тёплый он или холодный (в отличие от инфракрасных датчиков), а так-же — твёрдый или мягкий (в отличие от ультразвуковых датчиков движения). Кроме того, емкостные датчики могут обнаруживать объекты сквозь различные непрозрачные «преграды», например – стены строений, массивные заборы, двери и т.п. Использоваться подобные датчики могут как для охранных целей, так и для бытовых, например – для включения освещения при входе в помещение; для автоматического открывания дверей; в сигнализаторах уровня жидкости и т.п.
Существуют несколько типов емкостных датчиков.
1. Датчики на конденсаторах.
В датчиках этого типа сигнал срабатывания формируется с помощью конденсаторных схем и подобные конструкции можно разделить на несколько групп.
Наиболее простые из них — схемы на емкостных делителях.
При этом, характерной особенностью емкостных датчиков на конденсаторах является их невысокая помехоустойчивость – на входах подобных устройств не содержится элементов, способных эффективно подавлять посторонние воздействия. Принимаемые антенной различные наводки и радиопомехи образуют на входе устройства большое количество шумов и помех, делая подобные конструкции нечувствительными к слабым сигналам. По этой причине, дальность обнаружения объектов у датчиков на конденсаторах невелика, например, приближение человека они обнаруживают с расстояния не превышающего 10 — 15 см.
Вместе с тем, подобные устройства могут быть весьма простыми по своей конструкции, ( например ) и в них нет необходимости использовать намоточные детали — катушки, контура и т.п., благодаря чему, данные конструкции довольно удобны и технологичны в изготовлении.
Область применения емкостных датчиков на конденсаторах.
Данные устройства могут применяться там, где высокая чувствительность и помехоустойчивость не требуются, например в сигнализаторах прикосновения к металлич. предметам, датчиках уровня жидкости и т.п., а так-же, — для начинающих радиолюбителей, знакомящихся с емкостной техникой.
2. Емкостные датчики на частотозадающем LC-контуре.
Устройства данного типа менее подвержены воздействиям радиопомех и наводок по сравнению с датчиками на конденсаторах.
Антенна-датчик (обычно металлическая пластина) присоединяется (либо напрямую, либо через конденсатор ёмкостью в несколько десятков пФ) к частотозадающему LC-контуру ВЧ-генератора. При приближении какого-либо объекта — изменяется (увеличивается) ёмкость антенны и, соответственно, — ёмкость LС-контура. В результате — изменяется (понижается) частота генератора и происходит срабатывание.
Особенности емкостных датчиков данного типа.
1) LС-контур с присоединённой к нему антенной-датчиком является частью генератора, вследствие чего, воздействующие на антенну наводки и радиопомехи оказывают влияние и на его работу: через элементы положительной обратной связи помеховые сигналы (особенно импульсные) просачиваются на вход активного элемента генератора и усиливаются в нём, образуя на выходе устройства посторонние шумы, понижающие чувствительность конструкции к слабым сигналам и создающие опасность ложных срабатываний.
2) LС-контур, работающий в качестве частотозадающего элемента генератора, сильно нагружен и имеет пониженную добротность, в результате чего, снижаются избирательные свойства контура и ухудшается его способность изменять свою настройку при изменении ёмкости антенны, что дополнительно понижает чувствительность конструкции.
Вышеуказанные особенности датчиков на частотозадающем LС-контуре ограничивают их помехоустойчивость и дальность обнаружения объектов, к примеру, расстояние обнаружения человека датчиками этого типа составляет обычно 20 — 30 см.
Имеется несколько разновидностей и модификаций емкостных датчиков с частотозадающим LС-контуром.
Можно отметить и то, что в подобных конструкциях связь между антенной и частотозадающим контуром генератора не прямая, а индуктивная, благодаря чему, погодно-климатические воздействия на антенну не могут оказывать прямого влияния на работу активного элемента генератора (транзистора или ОУ), что является положительным свойством подобных конструкций.
Как и в случае с датчиками на кварцевом резонаторе, повышение чувствительности у емкостных устройств с отсасывающим LС-контуром достигнуто за счёт некоторого усложнения конструкции – в данном случае требуется изготовление дополнительного LС-контура, включающего в себя катушку индуктивности с количеством витков — вдвое большим (в — 100 витков) по сравнению с катушкой частотозадающего LС-контура.
3) В некоторых емкостных датчиках для повышения дальности обнаружения используется такой способ, как увеличение размеров антенны-датчика. При этом, у таких конструкций возрастает и восприимчивость к электромагнитным наводкам и радиопомехам; по этой причине, а так-же в силу громоздкости подобных устройств (например, в в качестве антенны используется металлическая сетка размером 0,5 × 0,5 М.) данные конструкции целесообразно использовать за?городом, — в местах со слабым электромагнитным фоном и, желательно — за пределами жилых помещений – что-бы не возникали наводки от сетевых проводов.
Устройства с большими размерами датчиков лучше всего использовать в сельской местности для охраны садовых участков и полевых объектов.
Область применения датчиков с частотозадающим LС-контуром.
Подобные устройства могут использоваться для различных бытовых целей (включение освещения и т.п.), а так-же для обнаружения каких-либо объектов в местах со спокойной электромагнитной обстановкой, например — в подвальных помещениях (находящихся ниже уровня земли), а так-же за?городом (в сельской местности — при отсутствии радиопомех — датчики этого типа могут обнаруживать, к примеру, приближение человека на расстоянии до нескольких десятков см).
В городских-же условиях данные конструкции целесообразно использовать либо как датчики прикосновения к металлическим предметам, либо в составе тех устройств сигнализации, которые в случае ложных срабатываний не причиняют больших неудобств окружающим, например, — в устройствах, включающих отпугивающий световой поток и негромкий звуковой сигнал.
Работают данные устройства следующим образом.
Чувствительные элементы датчика – антенны подключаются к измерительным входам LC-моста, а ВЧ-напряжение, необходимое для питания моста, формируется в дифференциальном трансформаторе, на первичную обмотку которого, подаётся питающий ВЧ-сигнал с выхода ВЧ-генератора ( в — в целях упрощения, — катушка частотозадающего контура генератора одновременно является первичной обмоткой дифференциального трансформатора).
Трансформатор дифференциальных конструкций содержит две идентичных вторичных обмотки, на противоположных концах которых, образуется противофазное переменное ВЧ-напряжение, для питания LС-моста.
При этом, на выходе моста, ВЧ-напряжение отсутствует т.к ВЧ-сигналы на его выходе будут одинаковы по амплитуде и противоположны по знаку, в силу чего, будет происходить их взаимокомпенсация и подавление (в измерительном LС-мосте рабочие токи идут навстречу друг другу и взаимокомпенсируются на выходе).
В своём исходном состоянии на выходе измерительного LС-моста сигнал отсутствует, в случае-же приближения объекта к какой-либо из антенн, увеличивается ёмкость того или иного плеча измерительного моста, вызывая нарушение его балансировки, в результате чего, взаимокомпенсация ВЧ-сигналов генератора становится неполной и на выходе LС-моста появляется сигнал к срабатыванию устройства.
При этом, если ёмкость возрастает (или понижается) сразу у обоих антенн, то срабатывания не происходит т.к. в этом случае балансировка LС-моста не нарушается и ВЧ-сигналы, протекающие в цепи LС-моста, по-прежнему сохраняют одинаковую амплитуду и противоположные знаки.
Благодаря вышеуказанному свойству, устройства на дифференциальных трансформаторах, также, как и описанные выше, дифференциальные конденсаторные датчики, устойчивы к погодно-климатическим колебаниям т.к. те воздействуют на обе антенны одинаково и затем взаимокомпенсируются и подавляются. Наводки и радиопомехи, при этом, не подавляются, устраняются лишь погодно-климатические воздействия, поэтому у дифференциальных датчиков, как и у датчиков на частотозадающем LС-контуре, периодически случаются ложные срабатывания.
Располагаться-же антенны должны так, что-бы при приближении объекта, воздействие на одну из них было-бы больше, чем на другую.
Особенности дифференциальных датчиков.
Дальность обнаружения у этих устройств несколько выше по сравнению с датчиками на частотозадающем LС-контуре, но при этом дифференциальные датчики сложнее по конструкции и имеют повышенный потребляемый ток из-за потерь в трансформаторе, имеющего ограниченный к.п.д. Кроме того, подобные устройства имеют зону пониженной чувствительности между антеннами.
Область применения.
Датчики на дифференциальном трансформаторе предназначены для использования в уличных условиях. Данные устройства могут применяться там-же, где и датчики на частотозадающем LС-контуре, с той лишь разницей, что для установки дифференциального датчика необходимо место для второй антенны.
4. Резонансные емкостные датчики (патент РФ № 2419159; ).
Высокочувствительные емкостные устройства — сигнал срабатывания в данных конструкциях формируется во входном LС-контуре, находящемся в частично расстроенном состоянии по отношению к сигналу с рабочего ВЧ-генератора, с которым контур соединён через конденсатор малой ёмкости (необходимый элемент сопротивления в цепи).
Принцип действия подобных конструкций имеет две составляющие: первая — это настроенный соответствующим образом LС-контур, и вторая — это элемент сопротивления, через который LС-контур подключается к выходу генератора.
Благодаря тому, что LС-контур находится в состоянии частичного резонанса (на скате характеристики), его сопротивление в цепи ВЧ-сигнала сильно зависит от ёмкости — как своей, так и ёмкости присоединённой к нему антенны-датчика. В результате — при приближении какого-либо объекта к антенне, ВЧ-напряжение на LС-контуре значительно меняет свою амплитуду, что является сигналом к срабатыванию устройства.
LC-контур при этом, не теряет своих избирательных свойств и эффективно подавляет (шунтирует на корпус) приходящие с антенны-датчика посторонние воздействия — наводки и радиопомехи, обеспечивая высокий уровень помехоустойчивости конструкции.
В резонансных емкостных датчиках рабочий сигнал с выхода ВЧ-генератора должен подаваться на LС-контур через некоторое сопротивление, величина которого должна быть сравнима с сопротивлением LС-контура на рабочей частоте, в противном случае, при приближении объектов к антенне-датчику, рабочее напряжение на LС-контуре будет очень слабо реагировать на изменения сопротивления LС-контура в цепи (ВЧ-напряжение контура будет просто повторять выходное напряжение генератора).
Кроме того, в резонансных емкостных конструкциях антенна соединена с LС-контуром через конденсатор малой ёмкости (использовать сильную связь в подобных устройствах нет необходимости), благодаря чему, погодные воздействия на антенну-датчик не нарушают работу LС-контура и его рабочее ВЧ-напряжение остаётся практически неизменным даже во время дождя.
По своей дальности действия резонансные емкостные датчики — значительно (иногда в разы) превосходят устройства на частотозадающих LС-контурах и на дифференциальных трансформаторах, обнаруживая приближение человека на расстоянии, значительно превышающем 1 метр.
Особенности резонансных емкостных датчиков.
1) При изготовлении резонансного датчика, предназначенного для работы в уличных условиях, требуется обязательная проверка входного узла на термостабильность, для чего производится измерение потенциала на выходе детектора при различных температурах (для этого можно использовать морозилку холодильника), детектор при этом, должен быть термостабильным (на полевом транзисторе).
2) В резонансных емкостных датчиках связь между антенной и ВЧ-генератором слабая и поэтому излучение радиопомех в эфир у подобных конструкций очень незначительное, — в несколько раз меньшее по сравнению с другими типами емкостных устройств.
Область применения.
Резонансные емкостные датчики можно эффективно использовать не только в сельских и полевых, но и в городских условиях, воздерживаясь при этом, от размещения датчиков вблизи мощных источников радиосигналов (радиостанции, телецентры и т.п.), иначе и у резонансных емкостных устройств будут наблюдаться ложные срабатывания.
Устанавливать резонансные датчики можно в том числе и в непосредственной близости от других электронных устройств, — благодаря малому уровню излучения радиосигнала и высокой помехоустойчивости, резонансные емкостные конструкции имеют повышенную электромагнитную совместимость с другими устройствами.
Нечаев И. «Емкостное реле», журн. «Радио» 1988 /1, стр.33.
Ершов М. «Емкостной датчик», журн. «Радио» 2004 / 3, стр. 41, 42.
Москвин А. «Бесконтактные емкостные датчики», журн. «Радио» 2002 / 10,
стр. 38, 39.
Галков А., Хомутов О., Якунин А. «Емкостная адаптивная охранная система» патент РФ № 2297671 (С2), с приоритетом от 23. 06. 2005 г. – Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2007, № 11.
Савченко В, Грибова Л. «Бесконтактный емкостный датчик с кварцевым
резонатором», журн. «Радио» 2010 / 11, стр. 27, 28.
«Емкостное реле» — журн. «Радио» 1967 / 9, стр. 61 (раздел зарубежных
конструкций).
Рубцов В. «Устройство охранной сигнализации», журн. «Радиолюбитель» 1992 / 8, стр. 26.
Глузман И. «Реле присутствия», журн. «Моделист-конструктор» 1981 / 1,
стр. 41, 42).