Принцип действия, принцип действия и критерии выбора датчиков линейных перемещений (рис. 2)

Виды и принцип работы

Индуктивные датчики предназначены для бесконтактного обнаружения и подсчета различных объектов, находящихся в зоне их чувствительности.

Назначение

Индуктивный датчик позволяет обнаруживать присутствие объекта без необходимости прикасаться к нему. В отличие от других датчиков, такие приборы могут обнаружить только металлы и нечувствительны к другим материалам, что повышает их защищенность от помех. Даже если в зону чувствительности датчика попадет посторонний предмет, ложное срабатывание будет исключено.

Типы индуктивных датчиков

По устройству датчики подразделяют на:

• одинарные — с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях.
• трансформаторные — коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.
• дифференциальные — с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем.

По типу подключения: датчики могут иметь от двух до пяти выходов.

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении параметров магнитного поля катушки индуктивности, в зону которой попадает металлический объект. Схема колебаний внутри прибора генерирует электромагнитное поле. Так как на ней возникают индуцированные токи, колебания уменьшается, что мгновенно считывает датчик.

• Применим только к металлическим объектам.
• Довольно маленькое расстояние до объекта: до 80 мм.
• Относительно низкая цена.
• Долгий срок службы.
• Устойчивость к неблагоприятным условиям среды.
• Высокая скорость измерения.

Как выбрать индуктивный датчик?

Чтобы правильно выбрать индуктивный датчик, требуется определить необходимую скорость измеряемого процесса, надежность, допустимую стоимость. Также необходимо знать, каково будет расстояние между объектом и датчиком, а также форму объекта.

Сферы применения

Индуктивные датчики известны своей надежностью и безопасностью при работе в сложных условиях. Это делает их лучшим выбором для военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности. Также индуктивные датчики находят применение в станках, машинах для текстильной промышленности, автомобильной промышленности, на сборочных линиях и т.д. Они используются для обнаружения металлических деталей в трудных условиях и при необходимости контроля быстро движущихся деталей.

Для обеспечения нормального функционирования двигателя используется множество контроллеров и механизмов, предназначенных для выполнения различных функций. Один из таких девайсов — индуктивные датчики положения. Они представляют собой бесконтактное устройство, которое предназначено для контроля положения объектов, выполненных из металла.

Что из себя представляют индуктивные датчики положения?

Основное направление использования — это всевозможные автоматизированные системы и линии. Принцип функционирования подобных датчиков осуществляется за счет присутствия катушки, создающей магнитное поле, которое взаимодействует с металлами.

Зачем нужен и где используется?

Индуктивный датчик является распространенным устройством, которое входит в состав оборудования в автоматизированных системах управления производством. Приборы достаточно эффективно применяются в автоматических линиях и станках в качестве конечных выключателей.

Индуктивные детекторы известны надежностью при работе в особо сложных условиях, когда необходимо обеспечить высокую надежность работы или безопасность. Объектами, на которые воздействуют устройства, являются различные металлические детали: ползуны, зубья шестеренок, кулачки и т.д.

Индуктивный датчик обладает высокой устойчивостью к активным химическим средам и имеет дискретный или аналоговый выход, определяющий положение объекта воздействия.

Устройства этого типа широко используют в машиностроении, пищевой, текстильной, тяжелой, железнодорожной, военной, аэрокосмической и других отраслях промышленности.

Устройство и принцип действия

Девайс состоит из нескольких взаимосвязанных важных узлов, обеспечивающих полноценную работу агрегата:

• Важной деталью является генератор, который создает электромагнитное поле, помогающее анализировать предметы из метелла и определять их положение.
• Также в работе прибора используется элемент — триггер Шмидта. Его роль — преобразование сигнала, чтобы устройство взаимодействовало с другими элементами и передавало полученную информацию дальше.
• Усилитель применяется для того, чтобы получаемый сигнал мог достичь определенного уровня для дальнейшей передачи.
• Индикаторы на светодиодах эффективно контролируют работу датчика, сигнализируя о его включении, также лампочки загораются при выполнении разных настроек системы.
• Компаунд защищает прибор от попадания внутрь всяческих мелких частиц и воды, поскольку посторонние субстанции сказываются на работе устройства и могут стать причиной его поломки.
• Корпус — в нем расположены все вышеперечисленные внутренние элементы. Он монтируется при помощи специальных креплений. Корпус датчика изготавливают из полиамида или из латуни, являющихся достаточно надежными материалами.

Прибор имеет определенный принцип действия. Для его функционирования используется специальный генератор, выдающий определенную амплитуду колебаний.

Принцип работы устройства:

• Если в поле действия датчика попадает объект, состоящий из ферромагнитного или металлического материала, то колебания изменяются, сигнализируя о наличии предмета.
• В начале работы на выключатель подается питание, способствующее образованию магнитного поля, которое влияет на вихревые токи, меняющие амплитуду колебаний работающего генератора.
• Результат этих преобразований — получение выходного сигнала, который варьируется в зависимости от расстояния между исследуемым предметом и работающим датчиком. Далее, при помощи устройства, аналоговый сигнал преобразуется в логический.

Отзывы об индуктивных датчиках линейного перемещения

По мнению пользователей, подобные устройства имеют ряд достоинств и недостатков.

• Возможность подключения устройства к источникам промышленной частоты.
• Прочность и простота конструкции, отсутствие скользящих контактов.
• Значительная чувствительность.
• Большая выходная мощность (десятки Ватт).

• Возможность работы исключительно на переменном токе.
• Точность работы устройства зависит от стабильности напряжения по частоте.

Производители и популярные модели

Сегодня существует множество компаний, производящих данные устройства. К ним относятся: ADEPT TECHNOLOGY, НПК ТЕКО, MICRO EPSILON, HBM и т.д.

Наиболее популярные индуктивные датчики приведенные ниже.

Детектор Pepperl+Fuchs NEN20-18GM50-E0

• Номинальное рабочее расстояние — 20 мм.
• Рабочее напряжение 10-30 В.
• Рабочее расстояние — 0-16,2 мм.
• Частота переключения — 0-200 Гц
• Материал корпуса — латунь, никелированная.
• Диаметр корпуса — 18 мм.
• Чувствительная грань PBT.
• Степень защиты IP67.

Цена — 5420 руб.

Датчик индуктивный ISB A0B-31P-0,8-LZ

• Диапазон рабочих напряжений -10-30 В DC.
• Максимальный рабочий ток — 100 мА.
• Частота переключения, Fmax — 2000 Гц.
• Рабочий зазор — 0-0,65 мм.
• Номинальный зазор — 0,8 мм.
• Падение напряжения при Imax — ≤2,5 В.
• Тип корпуса — цилиндрический резьбовой.
• Материал корпуса — латунь С59-1.

Цена -2223 руб.

Индукционное устройство ISB A11B-31N-1,5-L-C

• Напряжение — 0-30 VDC.
• Частота — 1500 Гц.
• Ток коммутации — 200 мА.
• Расстояние срабатывания -1,5 мм.
• Тип сигнала — NPN.
• Функция сигнала — НО замыкающий.
• Материал — латунь С59-1.

Цена — 1500 руб.

Аппарат ISB A2A-32N-2-LZ-C

• Рабочие напряжения -10-30 В DC.
• Зазор (рабочий) — 0-1,6 мм.
• Зазор (номинальный) — 2 мм.
• Максимальное падение напряжения — ≤2,5 В.
• Рабочий ток максимальный — 250 мА / 400 мА.
• Максимальная частота переключения — 900 Гц.
• Материал корпуса — Д16Т (ЛС59-1).

Цена — 850 руб.

Индикатор Impuls LM12-3005NAT

• Рабочее напряжение — 6-36 VDC.
• Ток нагрузки — DC:200мА.
• Частота срабатывания — DC:400Гц.
• Расстояние срабатывания — 2 мм.
• Ток утечки — DC:<0.8мА.
• Ток потребления — DC 12V: 8мА; 15 мА; 24V.
• Степень защиты — IP66.
• Материал корпуса — никелированная латунь.

Цена — 980 руб.

Какого производителя и какой тип лучше выбрать

Выбирая датчик положения, стоит учитывать сферу его применения. Так, одним из важных показателей является точность и разрешение прибора, надежность и габаритные размеры.

К наиболее популярным моделям относятся:

• Pepperl+Fuchs NEN20-18GM50-E0.
• Impuls LM12-3005NAT.
• ISB A2A-32N-2-LZ-C.

Что учитывать при выборе устройства?

Датчики положения и перемещения применяются во многих отраслях и являются важным связующим звеном между механической и электронной частями приборов. Довольно часто инженеры-электронщики испытывают трудности в выборе типа устройств, оптимальных для управления объектом.

При выборе устройства, прежде всего, нужно правильно определить приоритеты, учитывая следующие критерии:

• Условия применения.
• Скорость измеряемого процесса.
• Разрешение и точность.
• Линейность.
• Надежность.
• Класс защиты.
• Габаритные размеры.
• Стоимость.

3 лучших модели

По отзывам потребителей, к лучшим индуктивным датчикам положения объекта относятся:

Схема подключения устройства

Имеется несколько видов индуктивных устройств с разным числом проводов для подключения. Основные виды подключений индуктивных датчиков:

• Двухпроводные устройства подключаются напрямую в нагрузочную цепь. Это самый простой способ, однако он имеет некоторые особенности. Для такого способа подачи нагрузки требуется номинальное сопротивление. Если оно будет меньше или больше, то устройство функционирует некорректно. Включая прибор на постоянный ток, не стоит забывать о полярности выводов.
• Трехпроводные датчики наиболее популярны. Они имеют один проводник для нагрузки и два проводника для подключения питания.
• Четырехпроводные и пятипроводные. У них два провода предназначены для нагрузки, другие два — для питание, а пятый проводник — для выбора режима эксплуатации.

Цена на данные изделия зависит от многих характеристик, а также области применения. Стоимость на индуктивные датчики начинается от 700 рублей и выше.

Так, стоимость на модель Impuls LM12-3005NAT варьируется от 850 до 1070 рублей.

На устройство ISB A0B-31P-0,8-LZ от 1800 до 2360 рублей.

Где купить индуктивный датчик положения?

Приобрести устройства можно в специализированных магазинах на всей территории России, а также на интернет-площадках.

• ООО «Мегахип», Рязанский проспект, д. 10, стр. 16 Тел.: +7 (965) 219-39-51.
• ОКА (Овен КомплектАвтоматика), 1-й Вешняковский пр-д, д.2, стр. 2 Тел.: +7 (495) 799-8200.
• ООО «Промэлектрика» ул. Большая Почтовая д. 26, офис 214 Тел.: (495) 640-04-53.

• Компания «Компания PureLogic R&D», ул. Белоостровская, д. 8 (БЦ «Ильич»), офис 1429 Тел.: +7(812) 425-17-35.
• Магазин «LEDformula» пр. Елизарова, д. 34, корп. 2, офис 307 Тел.: +7 (812) 905-40-86.
• ООО «Производственный Центр «СОЮЗ», Московское шоссе д.46, корп. Б Тел.: +7 (812) 703-47-83.

Использование индуктивных датчиков в различных отраслях промышленности обусловлено ее спецификой. Однако они способны решать разнообразные задачи, начиная от безаварийной эксплуатации оборудования и заканчивая повышением информативности автоматизированных систем управления.

Вам помогла эта статья? Будем благодарны за оценку:

Вы уже голосовали

Зависимость
емкости датчика от влажности воздуха
(Frel)
приведена
на рис. 9.23. Поскольку эта характеристика
изогнута (нелинейна), непосредствен­ную
индикацию можно осуществить только при
откалиброванной соот­ветствующим
образом шкале или с помощью дополнительно
включенной схемы линеаризации.

На
рис. 9.24
показана зависимость между относительной
влажностью Frel
и емкостью датчика, норми­рованной
при Frel
=
12%.

Общая
емкость датчика равна CS
=
С0
+ ∆С, где С0
— емкость при нулевой влажности, ∆С —
изме­нение емкости из-за наличия
влаги. Емкость дат­чика CS
слабо
зависит от измерительной частоты, как
видно из рис. 9.25. Поэтому незначительное
измене­ние измерительной частоты не
оказывает влияния на показания датчика.

Важной
характеристикой, определяющей
приме­нимость датчика, является его
время срабатывания или постоянная
времени. При резком изменении влаж­ности
датчику требуется около 2 мин для
достижения 90% окончательного показания
(рис. 9.26), соответ­ствующего вновь
установившейся влажности.

Рис.
9.21.
Принципиальное
устройство диэлектрического датчика
влажности.

Рис.
9.22.
Конструкция
промышленного датчика влажности.

Рис.
9.23
Зависимость
емкости датчика СS
от относительной влажности.

Рис.
9.24.
Зависимость между отно­сительной
влажностью воздуха и ем­костью датчика,
нормированной при Frel
= 12%,

Рис.
9.25. Частотная ха­рактеристика датчика
влажности.

Рис.
9.26. Время срабатывания датчика влажности
при резке изменяющемся содержании влаги
в воздухе.

Изменения
емкости можно, естественно, как и
из­менения сопротивления, измерять
с помощью измери­тельного моста.
Соответствующая схема показана на рис.
9.27. Она состоит из моста для измерения
емкости с датчиком влажности в качестве
активного элемента. Мост питается
переменным напряжением с частотой около
100 кГц. С помощью подстроенного конденсатора
СА
выходное
напряжение U0
устанав­ливается
на нуль при ∆С = 0. При изменении
ем­кости ∆С выходное напряжение U0
служит
мерой этого изменения и соответственно
изменения влаж­ности.

Рис.
9.27 Измерительная схема датчика влажности
с емкостным мостом.

Для
простых конструкций датчиков получили
рас­пространение также схемы, работающие
по разности импульсов.
Принципиальное
построение такой схемы
показано
на рис. 9.28. Она состоит из двух
мультиви­браторов (M1
и
М2),
причем
M1
синхронизирует
М2.

При
∆С = 0 длительность импульсов обоих
мультивибраторов одинакова (t1 = t2).
Если
же емкость датчика изменится (∆С ≠ 0),
то между двумя выходами 1 и 2
возникнет
«разностный» импульс длительностью
t3 =
t2 – 1
~ ∆С.
Если период прямоуголь­ного импульса
напряжения равен T
= 2t1,
а
ампли­туда импульсов равна UB,
то
для среднего арифмети­ческого значения
выходного напряжения U0
полу­чается
уравнение U0
=
(t3/T)UB
= (∆С/2С0)UB.

При
условии, что мультивибраторы М1 и М2 в
сущности одинаковы (например,
мультивибраторы, выполненные на одном
кристалле по технологии КМОП), а емкость
датчика имеет такой же температурный
коэффициент, как и подстроечный
конденсатор СА,
отношение
t3/T
не
зави­сит от изменений температуры.

Рис.
9.28. Принципиальное устройство схемы с
двумя мульти­вибраторами, работающей
по
разности
импульсов.

Рис
9.29 Формирование разностного импульса
схемой, показанной на рис. 9.28.

Разумеется,
напряжение питания должно быть
стабилизировано, так как оно непосредственно
вхо­дит в результат измерений (U0).

На
рис. 9.30 изображена простая измерительная
схема без стабилизации напряжения и
без линеари­зации. Поскольку
ток этой схемы чрезвычайно мал (около
100 мкА), три элемента типа «ААА» могут
обеспечить питание примерно в течение
года.

Улучшенная
схема приведена на рис. 9.31. Напря­жение
питания стабилизируется транзисторами,
а выходное напряжение линеаризовано.
Линеари­зация (рис. 9.32)
осу­ществляется следующим образом.
Выходные им­пульсы заряжают конден­сатор
С через
D
и R1
и од­новременно
ток разряда, пропорциональный напря­жению
на конденсаторе, протекает через R2.
В
ре­зультате этого больше не соблюдается
про­порциональность между выходным
напряжением U0
и
средним значением на­пряжения выходного
импульса U0(AV).
Соответствую­щим
подбором С,
R1 и
R2
можно
достигнуть линеари­зации выходного
напряжения.

Рис.
9.30. Полная измерительная схема, работающая
по разно­сти импульсов:
Н — датчик влажности.

Рис.
9.31.
Улучшенная схема со стабилизированным
питанием и линеаризацией: Н — датчик
влажности; NTC—
терморезистор с отрицательным ТКС. На
измерительном приборе М
при
токе
45
мкА имеется метка, соответствующая
нижнему пределу на­пряжения
≈ 4,1 В.

Рис.
9.32.
Схема линеаризации выходного сигнала
датчика.

Для
однозначного отождествления измеренного
напряжения с определенной влажностью
необходимо создание в воздухе заранее
известной влажности (табл. 9.4).

Относительная
влажность (%) воздуха над насыщенными
растворами некоторых солей при различных
температурах

Насыщенные
растворы отдельных солей вызы­вают
уменьшение влажности в замкнутом
воздушном пространстве над ними. Этот
эффект можно исполь­зовать для
калибровки датчиков влажности. Для
этого калибруемый датчик монтируют в
герметичном сосуде (например, в стеклянной
банке для консерви­рования), как
показано на рис. 9.33, и соединяют с
электронной схемой. Затем в сосуд
помещают пропи­танный насыщенным
раствором ватный тампон и сразу же
закрывают крышкой. Спустя примерно 30
мин в резервуаре устанавливается
соответствую­щая относительная
влажность, указанная в табл. 9.4.
Например, в случае применения LiCl при
комнатной температуре (20°С) получается
относительная влаж
ность
12%. Используя различные солевые растворы
(при их смене сосуд обязательно очищают),
можно промерить всю характеристику
датчика для относи­тельной влажности
от 12 до 98%, а в случае необходимости также
и линеаризировать ее.

Рис.
9.33. Устройство для калибровки датчиков
влажности.

• Топливная
  и термохимическая (каталитическая)
  ячейки
• Датчики
  природного газа и
  алкоголя
• Конденсационный
  гигрометр на основе хлорида лития
• Измерительные
  схемы и калибровка датчиков влажности

ДАТЧИКИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Емкостный гигрометр.

Слой полимерного
ди­электрика толщиной несколько
микрон поглощает из окружаю­щего
воздуха молекулы воды, в результате
чего устанавливает­ся равновесие с
воздухом. Это приводит к изменению
диэлектри­ческой постоянной слоя и,
соответственно, изменению емкости:
конденсатора, в котором используется
этот диэлектрик.

Опыт показывает,
что при этом изменение емкости в
зави­симости от относительной влажности
достаточно хорошо описы­вается
линейным законом, а коэффициент
пропорциональности, слабо зависит от
температуры.

Существуют
различные способы изготовления
тонкослойных, конденсаторов. Описываемая
ниже конструкция (рис. 2.6, а)

представляет
собой датчик, разработанный Лабораторией
элект­роники и информационной техники
(LETI)
и выпускаемый фир­мой CORECI.

Технология
изготовления включает осаждение полимера
на первый танталовый электрод, а затем
нанесение на полимер тонкого (толщиной
от 100 до 10000 А) слоя хрома путем ваку­умного
напыления. Этот слой вызывает появление
трещин в диэлектрическом слое (рис.
2.6,6), что, в частности, устраняет зависимость
постоянной времени запаздывания от
толщины это­го слоя. Здесь хром
используется для того, чтобы сделать
дат­чик не чувствительным к
серосодержащим
примесям. В некото­рых емкостных
гигрометрах в качестве пористого
электрода используется очень тонкий
(~100А) слой золота.

Емкостный гигрометр на основе диэлектрического слоя оксида алюминия

Используемый
диэлектрик представляет собой слой
оксида алюминия, нанесенный посред­ством
анодного осаждения на алюминиевую
пластинку, пред­ставляющую собой
первый электрод; в качестве другого
элект­рода служит слой металла,
нанесенный на диэлектрик (рис. 2.7, а).
Импеданс
гигрометров этого типа, как и описанных
в предыдущем разделе, меняется в
зависимости от относительной влажности
окружающей среды (рис. 2.7, б).

Анодное
осаждение осуществляется путем
электролиза вод­ного раствора серной
кислоты, причем анод изготавливается
из алюминия. Выделяющийся на этом
электроде кислород превра­щает металл
в оксид, при осаждении которого возникает
мно­жество точек схлопывания, что
приводит к пористой структуре слоя.

Гигрометры,
основанные на этом принципе, наиболее
удоб­ны для измерения низких значений
влажности. В этом случае необходимо,
чтобы толщина пористого слоя была
минимальной; после анодного осаждения
слой полируют, чтобы уменьшить его
толщину и сделать датчик чувствительным
исключительно к температуре точки росы
конкретной окружающей среды.

Второй металлический
электрод наносится на поверхность
оксида алюминия; для этого могут быть
использованы алюми­ний, медь, золото,
серебро, платина, палладий, нихром.
Указанный электрод должен быть достаточно
малым, чтобы не закры­вать сверху
пористый слой оксида алюминия более,
чем это не­обходимо.

Соседние файлы в папке ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

Ёмкостный датчик

Ёмкостный датчик,
измерительный преобразователь
неэлектрических величин (уровня жидкости,
механические усилия, давления, влажности
и др.) в значения электрической ёмкости.
Конструктивноемкостный
датчикпредставляет собой
конденсатор электрический плоскопараллельный
или цилиндрический. Различаютемкостные
датчики, действие которых основано
на изменении зазора между пластинами
или площади их взаимного перекрытия,
деформации диэлектрика, изменении его
положения, состава или диэлектрической
проницаемости. Наиболее частоемкостные
датчикиприменяют для измерений
меняющихся давления или уровня, точных
измерений механических перемещений и
т. п.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Устройство емкостного датчика

Ёмкостный бесконтактный датчикфункционирует 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 поверхностьемкостного бесконтактного датчикаобразована 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
поверхностиемкостного бесконтактного
датчикаобъект 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
датчикисрабатывают 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 определении реального расстояния
срабатывания (Sr): 0,9 Sn < Sr < 1,1
Sn.

Зависимость
реального расстояния срабатывания Sr
от диэлектрической проницаемости
материала объекта erДиэлектрическая
проницаемость некоторых материалов:

Особенности эксплуатации.При
применении емкостных выключателей
важнозащититьсяот ложных
срабатываний, которые могут быть
вызваны, например, атмосферными осадками
(налипание снега), технологическими
жидкостями и др. (случайное прикосновение
оператора к выключателю также вызовет
его срабатывание). Чтобы скомпенсировать
влияние осадков, пыли (при производстве
стройматериалов), защитных перегородок
т.п., введена регулировка чувствительности
выключателя встроенным. Разнообразие
объектов воздействия, вызывающих
срабатываниеемкостных датчики,
обуславливает широкий областей, в
которых они применяются. Наибольший
эффект достигается при использовании
в системах:
– контроля уровня наполнения
резервуаров, емкостей, контейнеров
сыпучими и жидкими материалами;
–
контроля уровня содержимого в упаковке,
в таре;
– сигнализации разрыва лент;
–
счета и позиционирования объектов
любого рода.

Контроль
уровня сыпучих вешеств емкостными
датчиками

Контроль
содержимого упаковки и счет тары
емкостными датчиками

Контроль
разрыва ленты емкостными
датчиками

Контроль
позиционирования объекта емкостными
датчиками

Возможно применение емкостных
датчиковв пищевой и в химической
отраслях промышленности. При этом для
исключения непосредственного контакта
активной поверхности выключателя с
пищевыми продуктами или с химически
агрессивными средами, можно рекомендовать
использовать защитную диэлектрическую
перегородку, изготовленную из
соответствующих материалов. При
необходимости обнаружения веществ и
материалов, находящихся за металлической
стенкой, в ней следует выполнить окно,
закрытое диэлектрической перегородкой,
перед которой устанавливаютемкостный
выключатель. Толщина перегородки
должна быть значительно меньше расстояния
воздействия выключателя, а диэлектрик
должен иметь малую диэлектрическую
проницаемость.

Принцип работы сорбционно-емкостных датчиков влажности основан на зависимости свойств чувствительного материала датчика от изменения концентрации молекул воды в среде, где он находится. Выбирается такое изменение свойств материалов, которое удобно преобразовать в цифровой сигнал.

Оригинальным “ноу-хау” разработчиков датчиков влажности является состав материала чувствительного слоя, технология нанесения и обработки материала чувствительного слоя. Современные датчики являются частью цифрового мира, т.е. снимаемый с них сигнал легко оцифровывается и встраивается в различные информационные системы.

Работа разработанных и производимых компанией АО “ЭКСИС” сорбционно-емкостных датчиков влажности основана на изменении емкости чувствительного слоя в зависимости от сорбции/десорбции молекул воды, содержащихся в анализируемом газе, с последующим преобразованием измеряемой величины в электрический сигнал. Различают датчики относительной влажности, с помощью которых измерения можно осуществлять в диапазоне от 0 до 100% относительной влажности, и датчики микровлажности для измерения в диапазоне микровлажности от 0,1 до 1000 ppm (от -80 до 0 °С по т.р.).

Материалом чувствительного слоя в датчиках относительной влажности является полимерная пленка. Такие датчики обладают линейной зависимостью емкости и диэлектрической проницаемости материала пленки от концентрации молекул воды в измеряемой газовой среде. При этом датчики влажности имеют низкий гистерезис и высокую стабильность. На их основе работают все термогигрометры серии ИВТМ-7 и преобразователи серии ИПВТ-03.

В датчиках микровлажности в качестве чувствительного слоя используются наноструктурированные пленки SiOx с высоко развитой удельной поверхностью. Максимальная адсорбционная активность таких датчиков влажности находится в области микровлажности. Датчики микровлажности являются основой приборов серии ИВГ-1, которые находят успешное применение на газоперерабатывающих и химических предприятиях, а также на предприятиях микроэлектроники.

Калибровка выпускаемых датчиков влажности и преобразователей на их основе осуществляется с применением автоматизированных высокоточных современных средств метрологии с использованием компьютеров и специальных программных комплексов.

Сорбционно-емкостные датчики влажности имеют миниатюрные размеры, низкий температурный коэффициент и могут надежно работать в широком температурном диапазоне измеряемой газовой среды от -60 до +120 °С. Профессиональные приборы для измерения влажности неагрессивных газов и воздуха, работа которых основана на производимых предприятием датчиках влажности, могут с высокой точностью и надежностью применяться для контроля влажности при температурах от -40 до +60 °С. Причем, приборы разработаны таким образом, что при работе в условиях высокой влажности исключена возможность осаждения конденсата на датчике влажности, тем самым, не нарушаются метрологические характеристики датчика.

Датчики влажности широко применяются в современном контрольно-измерительном оборудовании для сбора метеорологических данных, контроля и регулирования технологических процессов в промышленности. Влажность наряду с температурой чрезвычайно важно контролировать в пищевой промышленности при производстве и хранении продуктов питания, при выращивании и хранении овощей и фруктов. Профессиональные приборы для контроля влажности серии ИВТМ-7, основу которых составляют датчики влажности, успешно применяются для мониторинга влажностно-температурных режимов объектов разного назначения: хранилищ, теплиц, культурно-исторических комплексов. Возможности производимых АО “ЭКСИС” контрольно-измерительных приборов позволяют объединять их в многоканальные системы контроля параметров микроклимата.

Профессиональные термогигрометры серии ИВТМ-7 и гигрометры серии ИВГ-1 включены в Государственный реестр средств измерений РФ.

Определение количественных показателей влажности газовых сред, жидкостей, твердых и сыпучих тел – востребованная задача практически для всех сфер промышленности, хозяйственной и научной деятельности, различного типа производств. Все методы определения влажностных показателей делятся на прямые и косвенные. Прямой способ подразумевает непосредственное отделение сухого вещества в исследуемом материале от влаги. Принцип косвенных методов заключается в измерении физических величин, имеющих функциональную связь с влажностью вещества или материала.

Необходимость беспрерывно производить замеры, контролировать и регулировать содержание влаги в различных веществах способствовало разработке и развитию компактных сенсорных приборов – датчиков влаги. Они значительно облегчили процесс круглосуточного детектирования концентрации молекул воды в анализируемом материале. Современные сенсорные датчики должны отвечать целому ряду требований: помимо высокой точности, чувствительности и быстроты операций, данные устройства должны иметь широкий измерительный диапазон, охват нескольких порядков анализируемой величины, стабильность показаний.

Области применения датчиков влажности

Измерение показателей влажности необходимо в таких сферах деятельности, как:

• химическое производство;
• транспортировка топлива;
• фармацевтика;
• полимеризация;
• животноводство;
• хранение продукции;
• обслуживание холодильных и морозильных камер;
• лесоперерабатывающая промышленность;
• работа пищевых цехов;
• сельскохозяйственная отрасль и т. д.

Виды влажностных датчиков

Датчики для замеров влажности классифицируются по различным критериям, например по:

• агрегатному состоянию и структурным особенностям материала, который подлежит анализу;
• условиям и режиму эксплуатации – существуют датчики для беспрерывных и дискретных контрольно-измерительных мероприятий;
• способу осуществления замеров – датчики имеют проточный и погружной тип;
• методу определения влажностных показателей.

Последний критерий поспособствовал выделению двух больших групп, пользующихся высоким спросом: сорбционные и сорбционно-импедансные датчики.

Сорбционные датчики влажности

Для определения и контроля незначительных концентраций влаги применяются датчики сорбционного типа, принцип измерения в которых основывается на пъезосорбционных и сорбционно-импендасных способах мониторинга.

Главный функциональный элемент таких датчиков – сорбционный слой, который при контакте со средой исследования способен поглощать пары воды. Часто в роли такого слоя выступает полимерная пленка или материал на основе высокопористых неорганических оксидов.

Чем выше размерные характеристики внутренних полостей материала, тем большей эффективностью обладает датчик на его основе. Поэтому оптимальными анализирующими элементами служат пористые и мезопористые материалы. При этом важно отметить, что увеличение влагочувствительности датчиков с помощью такого материала так же может сопровождаться увеличением погрешности производимых замеров. В связи с этим разработка и производство датчиков влажности требует особого контроля и соблюдения технологий формирования чувствительного элемента.

Сорбционные датчики, задействуемые при мониторинге влажности различных сред, могут иметь структуру по типу «сэндвич». Изготовление датчика осуществляется на подложках из стеклокристаллического материала или поликорового наполнителя. Электроды выполняются на основе никеля с ванадиевым покрытием. Чувствительная гидрофильная прослойка представлена специальной наноструктурированной пленкой из полимеров, ее формирование происходит по особой технике. На прослойку из полученной диэлектрической пленки наносится особо тонкое золотое покрытие (мембраны данной пленки способны селективно пропускать молекулы воды), которое берет на себя функционал второго электрода. Обеспечивает надежное исполнение конструкции непосредственное расположение контактов на уровне нижнего электрода. Постоянная времени имеет значение:

• для датчика относительной влажности – 1-2 с;
• для датчика микровлажности – от 10 до 180 с, такой широкий диапазон обуславливается зависимостью от уровня исследуемой концентрации влаги.

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

Работа датчиков влажности часто сопряжена с применением термоизмерителей. Это помогает повышать точность исследований среды, обеспечивать корректный пересчет единиц измерения и получать максимально точные значения абсолютной и относительной влажности.

Особая роль отводится датчикам относительной влажности при мониторинге атмосферы, климата производственных помещений и жилых построек. Также без данных датчиков не обходится работа гидрометеорологического оборудования, в том числе зондов.

Датчики, применяемые для мониторинга параметров микровлажности, востребованы при исследованиях особо чистых активных газов и их сред (примером может служить аргон или кислород). Поэтому без такого измерительного оборудования не обходятся отрасли электроники, лабораторные корпуса и т. д.

Сорбционно-импедансные датчики

Определить концентрацию влаги в различных средах помогают датчики сорбционно-импедансного типа. Преимуществом этих устройств мониторинга влажности служат:

• высокие показатели чувствительности;
• простая технология изготовления;
• компактность изделия.

Работа такого датчика основывается на зависимости комплексного сопротивления сорбционного слоя от объема поглощенной им влаги. Такие датчики влажности могут иметь два варианта конструктивного исполнения:

• вышеописанная структура «сэндвич»;
• с планарным размещением электродов, часто имеют форму гребенки.

Градуировочные характеристики сорбционно-импедансных средств измерения влажности зависят от сорбционного материала. Изначально в роли сорбционного слоя выступали гигроскопичные ионообразующие добавки в виде солей (такие как хлорид лития, фторид бериллия и т. д.). Измерительным датчикам подобного вида свойственны недочеты – низкая стабильность показателей, меньшая чувствительность и большая вероятность погрешностей.

Основываясь на этом, современные производители редко используют ионообразующие соли как самостоятельный влаговосприимчивый агент. Гигроскопичная соль в производстве датчиков получила вспомогательную роль – ее используют в качестве материала пропитки или добавки для повышения влагочувствительности. Основное применение в различных сферах получили импедансные измерители с полимерными сорбентами (как органическими так и неорганическими) на основе оксидов металлов. Покрытие может иметь тонкопленочный или толстопленочный вариант.

Процесс совершенствования датчиков влажности

Как в отечественном, так и в зарубежном производстве датчиков влажности просматривается эффективное направление развития – разработка инновационных влагочувствительных композиций. В целом, для этой отрасли характерны следующие особенности:

• неминуемый переход на групповую планарную микроэлектронную технологию производства (применяется как тонкопленочная, так и толстопленочная);
• создание мультизадачных устройств, например, интегральных измерителей температуры и влажности. Эксплуатация таких датчиков не только способствует повышению точности производимых замеров, но и приводит к упрощению процесса их калибровки;
• приведение к единой системе конструкций датчиков влажности, а также средств обработки сигналов на фоне широкого применения микропроцессоров.

Существование широкого многообразия моделей датчиков влажности можно объяснить тем, что ни один из них не является универсальным. Каждый тип датчика имеет свою специфику, обладает преимуществами и недостатками, а значит выбор устройства должен происходить с учетом особенностей его применения.

Мониторинг влажности с контрольно-измерительными приборами ЭКСИС

На основе изготавливаемых датчиков влажности АО «Экологические сенсоры и системы» разрабатывает автоматизированные системы многоканального типа, а также стационарные и мобильные варианты контрольно-измерительных приборов. Последние используются для мониторинга относительной влажности и температурных показателей (устройства линейки ИВТМ-7), при исследованиях микровлажности газов (линейка ИВГ-1).

Стоит отметить, что в изданиях научно-исследовательского и технического назначения понятие датчика влажности подразумевает устройства, в составе которых присутствует влагочувствительный элемент (сенсор) и электросхема для приема и преобразования сигнала от сенсора в необходимое значение. Именно поэтому устройства мониторинга часто именуют датчиками.

Разрабатываемые устройства задействуют при решении задач в условиях производств, обеспечения условий комфортной и безопасной деятельности работника в различных промышленных сферах. Примером может служить задействование приборов измерения в электронике, на химических предприятиях, атомных станциях и т. д.

Производимые приборы обладают всеми необходимыми характеристиками для объединения устройств в общую измерительную сеть. Комплектация такой сети может включать многоканальные и одноканальные приборы, сетевые и портативные модели, измерительные преобразователи. Работе инновационных измерительных систем характерно распределенная схема управления, удаленный контроль (в том числе посредством сети Интернет) и другие современные технологии контрольно-измерительных мероприятий.

Контроль уровня влажности важен в большинстве сфер жизни и производства. Влажность воздуха оказывает большое влияние на состояние здоровья человека, рабочие характеристики оборудования на производстве, сохранность товара на складе, а также сказывается на безопасности систем, в которых не допускается наличие конденсата. Контроль влажности осуществляется при помощи специального прибора – гигрометра или датчика влажности.

Понятие влажности

Само понятие влажности воздуха делится на абсолютную и относительную влажности. Абсолютная влажность – это объем воды в воздушной массе. Предельный порог насыщения влагой соответствует 100%, после этого начинается процесс конденсации. Зачастую датчики влажности используются в паре с датчиками температуры. Это делается для определения взаимосвязи между температурой среды и количеством влаги в воздухе.
Относительная влажность воздуха определяется соотношением влагоемкости к абсолютной влажности. Чем выше относительная влажность, тем выше и ближе к фактической температуре воздуха точка росы.

Устройство и назначение

Датчик влажности представляет собой устройство, с помощью которого измеряют и преобразуют относительную влажность в цифровой сигнал или в сигнал напряжения.
Применение защитных покрытий позволяет эксплуатировать датчики в разнообразных условиях и для решения широкого спектра задач, например управления показателем влагосодержания в системах автоматизации зданий, контроля сушки в химическом производстве и других.
Измерение влажности может производиться прямым и косвенным методами. При прямом измерении исследуемый материал распределяется на сухое вещество и влагу, а при косвенном измеряют физические величины, связанные с влажностью материала.
В помещениях с повышенной влажностью зачастую устанавливают вентилятор, оснащенный гидростатом – датчиков влажности, который анализирует насыщение воздуха водяными парами. Включение вентилятора происходит только когда превышается заданная норма влажности.

Емкостной датчик представляет собой конденсатор с воздухом в пространстве между пластинами. Это самый простой тип датчика, принцип работы которого основан на том, что сухой воздух не проводит электрический ток.
Также существует емкостной датчик с диэлектриком, более чувствительным к влажной окружающей среде, чем датчик с воздухом. Конденсатор подключается к генератору, а предмет измерения располагается между пластинами. Производится измерение частоты колебаний контура, после чего вычисляется емкость.
Еще один тип емкостного датчика – подложка с двумя электродами в виде гребенки, которые выполняют роль обкладок. Чтобы компенсировать температуру, в 1 датчик включаются два термоэлемента.
Датчики, оснащенные аналоговым выходом, создают электромагнитное поле на участке реагирования датчика. Датчик срабатывает на приближение или удаление от активной поверхности металлических веществ и преобразует значение этого расстояния в аналоговый сигнал по току или напряжению с линейной зависимостью.

Резистивный

Работа резистивных датчиков основана на отслеживании изменений электрического сопротивления среды. В их конструкции применяется керамическое покрытие с целью исключить слияние состояния окружающей среды при образовании конденсата. Датчики состоят из подложки с проводящим электролитом на поверхности и нанесенными на нее электродами. Конструкция помещается в пластиковую защиту.
В качестве соединительного материала применяется керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После покрытия и высушивания, датчики проходят термическую обработку при высокой температуре, в результате которого образуется толстопленочное покрытие, устойчивое к растворению в воде и предотвращающее образование конденсата.
В резистивных датчиках используется бифилярная намотка. В результате покрытия датчиков гигроскопическим полимером, их сопротивление становится обратно пропорциональным влажности.

Термисторный

В основе датчиков такого типа лежат термисторы, которые определяют влажность по колебанию теплопроводности газов. Конструкция датчиков состоит из двух небольших термисторов, зафиксированных при помощи очень тонких проводов для уменьшения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус.
Небольшое изменение температуры меняет сопротивление термистора. Один из термисторов помещен в герметичную камеру с сухим воздухом, другой непосредственно контактирует с окружающей средой. Температура и сопротивление второго термистора меняются, когда пары влаги частично конденсируются на нем и испаряются. Уровень влажности воздуха выясняется сравнением сопротивления двух термисторов.

Оптический

Датчики оптического типа позволяют отслеживать влажность среды с наивысшей точностью, но ввиду оптического принципа работы, есть большая вероятность загрязнения стекла. Кроме этого, оптические датчики требуют значительно большее количество энергии для работы.

Электронный датчик

Изоляционный материал электронного датчика покрыт электролитом, изменения свойств которого вызывает срабатывание датчика. Существуют модификации с возможностью автоподогрева для поддержания температуры точки росы.
В основе функционирования датчика лежит реакция раствора хлорида лития, чувствительного даже к незначительным колебаниям влажности. Над этим раствором замеряется точка росы. Для достижения большей точности, в паре с гигрометром устанавливается термометр.
Широко применяются цифровые электронные датчики – высокоточные приборы с функцией контроля климата в помещении. На сенсорном экране отображаются значения температуры и влажности в процентах. При обнаружении отклонения от заданных параметров, цифровой электронный датчик производит оповещение звуковым или световым сигналом.
Наибольшее распространение получили обычные электронные гигрометры, оснащенные двумя электродами, которые помещаются в землю. Влажность определяется по степени проводимости.

Канальный

С помощью канального датчика определяют влажность неагрессивных сред. Наличие в воздухе пыльных масс вносит большую погрешность и делает невозможным применение канального датчика.

Особенности подключения

Подключение большинства датчиков к системе производится без особых условий и требований. При первом включении датчика, в нем активируются заводские установки, которые впоследствии можно перенастроить.

Правила эксплуатации

Эксплуатация датчиков влажности должна производиться с соблюдением требований по безопасности и мер по увеличению срока использования. Нельзя допускать попадание влаги внутрь прибора, эксплуатировать прибор в химически агрессивных средах, содержащих кислоты и щелочи.
Контакт с рабочей поверхностью датчика может быть опасен для человека. Также нельзя допускать длительное нахождение прибора в условиях высокой относительной влажности, так как это может вызвать дрейф характеристик и ухудшение точности измерений.

Приобрести датчики влажности можно в интернет-магазине «Промышленная Автоматизация».