Kapacitivni senzori se nalaze u upotrebi od tridesetih godina 20.veka. Ovi senzori realizovani u cevnoj tehnici imaju niz tehničkih nedostataka u odnosu na današnje. Opseg osetljivosti jako mali, senzori nisu imali temperaturnu kompenzaciju i bili su jako ne stabilni u svom radu. Stalni razvoj doveo je 1997.godine do proizvodnje kapacitivnih senzora sa mikrokontrolerom koji se automatski podešavaju prema vrsti sirovine čiji nivo mere i koji naravno automatski kompenzuju uticaj temperature proizvoda i temperature ambijenta.
Kapacitivni senzori su nanomerni sistem izbora za što preciznije određivanje blizine(pozicije). Ovi senzori garantuju najbolje osobine, kao sto su: najveća rezolucija, linearna i logaritamska nepromenjenost, tačnost, propusni opseg u odnosu na otporničke senzore, inkrementalne enkodere i druge. Ovo apsolutno merenje preko bezkontaktnih uređaja detektuje kretanje na udaljenosti reda 10-9m pa sve do 10-2m direktnim merenjem. Kapacitivni senzor je jedan od najviše korišćenih u industriji. Najčešća primena je u prehrambenoj, hemijskoj, procesnoj industriji.
Konstrukcija kapacitivnog senzora
Kapacitivni senzor je, grubo rečeno, otvoreni kondenzator(pločasti) . Formula za izračunavanje kapacitivnosti kondenzatora glasi:
C=ε0εr S/d
Ukoliko se na S, d ili ε utiče nekom nelektričnom veličinom, tada kapacitet C zavisi od te veličine, pa se na taj način dobija kapacitivni senzor. Već prema tome utiče li se na S,d ili ε postoje razne konstrucije kapacitivnih senzora. Za sve njih je zajedničko da spadaju u pasivne senzore. Na slici 1. je prikazana:
slika1. Ekvivalentna šema kapacitivnog senzora sa priključnim vodovima
Kapacitivni senzori nemaju samo kapacitet, već poseduju i izvesnu induktivnost i omski otpor. Induktivnost im je mala i najšće se zanemaruje, dok otpor može biti značajan.
Princip rada
Elektrostatičko polje se generiše između anode i katode kondenzatora, a prostire se ispred senzora. Dolaskom predmeta u blizinu senzora menja se kapacitet kondenzatora, oscilator se prigušuje i na izlazu se pojavljuje električni signal. Kapacitivni senzor reaguje ne samo na provodne materijale već i na izolatore sa većom dielektričnom konstantom kao što su plastika, staklo, keramika i drvo. Reaguju na skoro sve materijale i tečnosti.
Kapacitivni senzor reaguje kada aktivnoj površini približimo materijal koji trebamo detektovati, dodir nije potreban. Predmet se treba više približiti ako ima slabiju dielektričnu konstantu. Reaguju još i na izolatorske materijale čija je dielektrična konstanta veća od 1. Udaljenost na koju kapacitivni senzor reaguje je oko 30cm, što zavisi od samog tipa senzora. Osetljivost možemo podešavati pomoću potenciometra.
Osobine
Dobre osobine kapacitivnih senzora su: jednostavnost, preglednost, visoka osetljivost, stvarna upotrebljivost (kako za praćenje stacionarnih tako i za praćenje brzo promenljivih veličina), primena i kod viših temperatura. Loša osobina kapacitivnih senzora je njihov veliki unutrašnji otpor, koji zahteva još veći ulazni otpor mernog elektronskog bloka.
Na primer, kapacitivni senzor sa elektrodam površine 10cm2 , koje su na međusobnom rastojanju od 1mm u vazduhu, ima kapacitet od 8,87pF. Modul njegove impedanse 1/(jωC) na frekvenciji od f=50Hz je 320kΩ, a na frekvenciji od 20kHz je čak 905kΩ. Nedostatak je takođe i osteljivost relativne dielektrične konstante dielektrika na delovanje tešnosti sa εr>1, kao što su razna ulja a naročito voda ( εr>80 ).
Primena kapacitivnih senzora
Ovi senzori imaju veoma širok spektar upotrebe. Uopšteno oni se mogu upotrebljavati za sve vrste rasutih materijala čija vlažnost prelazi >2,5%. Njihov opseg primene u zavisnosti od temeperature je u standardnoj verziji od -40 do +90oC a u specijalnim izvedbama do 150oC. Kapacitivni senzori su danas najpouzdaniji tip senzora kako u pogledu cene tako i u pogledu efikasnosti primene. Za povezivanje sa upravljačkim sistemima elektronski modul ACC može da radi na 24V sa integrisanim automatskim daljinskim podešavanjem i sa integrisanom sigurniosnom Ex-barijerom. Zbog ovih karakteristika ACC elektronski modul može se povezivati i sa drugim senzorima. Na slic 2. mozete pogledati gde je sve moguća primena kapacitivnih senzora kada su upitanju rasuti materijali.
Slika 2. Tabelarini prikaz upotreba kapacitivnih senzora
Jedna od mana kapacitivnih senzora je mogućnost davanja poglešnog signala, koji može dovesti do prekida rada procesa kada to nije potrebno. To dolazi usled taloženja prašine na radnu površinu senzora , zato se koriste senzori sa vibrirajućim viljuškama. Kada materijal dođe do vibrirajuće sonde ona se umiri i daje signal senzoru.
Ovi senzori su još i prikladni za ugradnju kao krajnji prekidači pri merenju nivoa vode ili drugih tečnosti. U potpunosti izolirani senzori koriste se uglavnom za ovu namenu. Tada nam merenja korozivnih tečnosti ili adhezivnih materijala nisu problem. Montiranje senzora je jednostavno. Mogućnost merenja nivoa tečnosti sa opsegom temperatura do 450 °C a pritisaka do 500 bar. Relativna dielektrična konstanta ( εr ) medijuma je važna za ovaj princip merenja.
