Zasada działania czujnika pojemnościowego

Podstawą działania czujnika pojemnościowego jest zmiana pojemności elektrycznej pomiędzy elektrodą a obiektem znajdującym się w polu detekcji. W praktyce czujnik działa jak kondensator, gdzie jedną okładką kondensatora jest elektroda pomiarowa wbudowana w czoło czujnika, a drugą staje się wykrywany obiekt.

Czujnik generuje pole elektryczne. Gdy w polu tym pojawi się materiał o innej stałej dielektrycznej niż powietrze, następuje zmiana pojemności. System pomiarowy czujnika wykrywa i mierzy tę zmianę, a następnie przekształca ją w sygnał wyjściowy.

Zasadę działania czujnika pojemnościowego można opisać prostym wzorem na pojemność kondensatora:

C = (ε · A) / d

gdzie:
C – pojemność,
ε – stała dielektryczna materiału pomiędzy okładkami,
A – powierzchnia okładek,
d – odległość między okładkami.

Zmiana któregokolwiek z tych parametrów powoduje zmianę pojemności i pozwala wykryć:

• obecność obiektu lub materiału,
  
• zmianę jego właściwości mających wpływ na wartość stałej dielektrycznej, np. wilgotności,
  
• odległości pomiędzy czujnikiem i detalem.

Na co reaguje czujnik pojemnościowy?

Czujniki pojemnościowe są niezwykle uniwersalne i są w stanie wykryć praktycznie wszystko. Reagują zarówno na materiały przewodzące (metale), jak i nieprzewodzące (drewno, szkło, papier czy tworzywa sztuczne). Mogą wykrywać ciecze (wodę, oleje, chemikalia), materiały sypkie (zboże, piasek, cement), obiekty niemetaliczne (plastikowe opakowania, substancje organiczne) oraz metalowe.

Istotnym parametrem jest tu stała dielektryczna (ε) – im wyższa, tym łatwiej wykryć obiekt lub materiał.

Co wykrywa czujnik pojemnościowy?

Czujniki pojemnościowe są bardzo czułe i mogą reagować na różne materiały oraz zmiany w ich otoczeniu. Mogą np. monitorować:

• obecność obiektów metalowych i niemetalowych, w tym ciał obcych lub bezbarwnych tworzyw sztucznych,
• zmianę poziomu płynów w zbiornikach,
• dotyk użytkownika sprzętu elektronicznego,
• zmianę wilgotności i grubości materiałów.

Rodzaje czujników pojemnościowych

Najczęściej spotykanym typem czujnika pojemnościowego jest pojemnościowy czujnik zbliżeniowy używany do bezkontaktowego wykrywania obiektów znajdujących się w określonej odległości. Czujniki te są stosowane m.in. w automatyce przemysłowej do detekcji produktów na taśmach produkcyjnych oraz monitorowania pozycji elementów maszyn.

W nowoczesnych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony czy panele sterujące wykorzystywane są, z kolei, pojemnościowe czujniki dotykowe reagujące na niewielką zmianę pola elektrycznego wywołaną przez palec użytkownika.

Jednym z popularniejszych zastosowań czujników pojemnościowych jest pojemnościowy czujnik poziomu cieczy stosowany do pomiaru zmian pojemności elektrycznej pomiędzy elektrodami zanurzonymi w płynie lub umieszczonymi na zewnątrz zbiornika.

Zasada działania pojemnościowego czujnika poziomu cieczy

Czujnik pojemnościowy poziomu cieczy wykorzystuje zmiany pojemności między sondą pomiarową a ścianą zbiornika. Gdy płyn osiąga określony poziom, zmiana ta jest wykrywana i przekształcana na sygnał sterujący. W zależności od konstrukcji czujnika możliwe jest wykrywanie poziomu zarówno cieczy przewodzących, jak i nieprzewodzących.

Tego typu rozwiązanie stosuje się w systemach wymagających precyzyjnego monitorowania poziomu płynu, np. w przemyśle chemicznym, spożywczym i farmaceutycznym. Tym, bardziej, że bezkontaktowa praca pozwala czujnikom pojemnościowym precyzyjnie monitorować poziom płynów agresywnych chemicznie lub wymagających zachowania warunków jałowych.

Zastosowania czujników pojemnościowych

Uniwersalność tych urządzeń sprawia, że są one szeroko stosowane w różnych branżach.

• Branża spożywcza - wykorzystuje się je do sprawdzania obecności płynów w zbiornikach (np. mleka lub soki) oraz do bezdotykowej detekcji zawartości opakowań.
• Przemysł chemiczny -  służą do pomiaru poziomu chemikaliów oraz kontroli procesów mieszania substancji.
• Budownictwo - używane są do monitorowania wilgotności materiałów budowlanych.
• Rolnictwo - czujniki pojemnościowe pomagają kontrolować poziom paszy w silosach oraz mierzyć wilgotność zbóż.
• Przemysł motoryzacyjny - są używane do sprawdzania poziomu i obecności płynów eksploatacyjnych oraz detekcji elementów podczas montażu pojazdów.
• Elektronika użytkowa - stosowane są w panelach dotykowych i bezdotykowych przyciskach sterujących.
• Oczyszczalnie ścieków i gospodarka wodna - czujniki pojemnościowe pomagają mierzyć poziom ścieków oraz monitorować zbiorniki retencyjne.
• Automatyka przemysłowa - służą do detekcji położenia elementów na liniach produkcyjnych i zliczania przedmiotów.
• Logistyka - wykorzystuje się je do identyfikacji obecności produktów na półkach magazynowych.
• Medycyna – pomagają przy sterowaniu urządzeniami medycznymi.

Czujnik pojemnościowy – symbol i budowa

W dokumentacji technicznej czujniki pojemnościowe oznaczane są różnymi symbolami w zależności od norm branżowych i producenta. Najczęściej spotykany, zgodny z normą IEC, symbol ma postać dwóch równoległych linii (symbol kondensatora), czasem z dodatkowym oznaczeniem pola detekcji jako okręgu.

Typowy czujnik pojemnościowy zbudowany jest z:

• elektrod pomiarowych,
• oscylatora generującego pole elektryczne,
• przerzutnika Schmitta przetwarzającego sygnał analogowy na cyfrowy,
• wzmacniacza sygnału wyjściowego.

Całość zamknięta jest w obudowie chroniącej komponenty przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska.

Zalety i ograniczenia

Jak każda technologia, czujniki pojemnościowe mają swoje mocne i słabe strony. Umożliwiają wykrywanie bardzo różnych materiałów i są w stanie wykrywać materiały przez nieprzewodzące bariery. Brak ruchomych części i bezdotykowa praca sprawiają, że są bardzo trwałe, a odporność na trudne warunki środowiskowe, zanieczyszczenia oznacza, że są niezawodne nawet w wymagających zastosowaniach.

Mają jednak pewne ograniczenia. Są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne i zależne od stałej dielektrycznej wykrywanego materiału, a to oznacza, że na czułość pomiaru mają wpływ zarówno temperatura, jak i wilgotność.

Ponadto dokładność czujników pojemnościowych może być niższa niż innych technologii pomiarowych, np. czujników optycznych (o których piszemy więcej w tekście: Co to jest czujnik optyczny i jak działa?). Wymagają też precyzyjnego montażu, a częstotliwość przełączania wynosząca kilkadziesiąt Hz oznacza, że są wolniejsze od np. czujników indukcyjnych, które również opisaliśmy szerzej na naszym blogu: Co to jest czujnik indukcyjny i jak działa?

Podsumowanie

Zdolność czujników pojemnościowych do wykrywania różnorodnych materiałów sprawia, że są niezawodne w wielu zastosowaniach – od detekcji obiektów na taśmach produkcyjnych przez pomiar poziomu płynów aż po dotykowe interfejsy użytkownika. Warto też zdać sobie sprawę, że coraz większa miniaturyzacja oraz rozwój algorytmów przetwarzania sygnałów umożliwią w niedługim czasie jeszcze bardziej precyzyjne pomiary i analizę obecności różnorodnych materiałów, co pozwoli wykorzystać te czujniki w automatyzacji kolejnych procesów.