Fases Sensor Capacitivo y objetivos sin conexión a tierra

Sensor capacitivo TechNote LT03-0022

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Resumen

En algunos casos, los objetivos sin conexión a tierra pueden afectar los resultados de la medición. Esta nota técnica examina cuándo los objetivos no conectados a tierra pueden causar errores y los parámetros que determinan su magnitud.

Sensores capacitivos y objetivos sin conexión a tierra

sinopsis

La mayoría de los objetivos sin conexión a tierra tienen una gran capacitancia a tierra. En estos casos, no hay errores de medición. Este es el caso en la gran mayoría de las aplicaciones de destino sin conexión a tierra. El mayor potencial de errores de objetivos no conectados a tierra es cuando el objetivo es pequeño o está a una distancia significativa de cualquier otro objeto conectado a tierra. Las calibraciones de mayor resolución son más susceptibles a estos errores que las calibraciones estándar o de rango extendido.

Síntomas de un objetivo sin conexión a tierra

Baja sensibilidad, disminución del enfrentamiento, la salida varía cuando la mano del operador se acerca al área de medición; cualquiera de estos puede indicar un objetivo mal conectado a tierra.

El papel de la tierra en la detección capacitiva

Los sensores capacitivos funcionan midiendo la cantidad de corriente eléctrica que fluye entre la sonda

La corriente de detección fluye a tierra a través de la capacitancia de la sonda / objetivo.

La corriente de detección fluye a tierra a través de la sonda / capacitancia objetivo. La cantidad de capacitancia (proximidad del objetivo) determina cuánta corriente fluirá.

detectar la superficie y el suelo, generalmente el objetivo. Cuanto mayor sea la capacitancia entre la sonda y el objetivo (cuanto más cerca estén), mayor será el flujo de corriente. La electrónica del controlador es responsable de crear, controlar y medir la corriente de detección.

Los detalles matemáticos

I = V / XCy XC = 1 / (2πFC)
dónde:
I = actual
V = Voltaje del variador desde la electrónica del controlador
F = Frecuencia de accionamiento desde la electrónica del conductor
C = capacitancia

XC = Reactancia capacitiva (resistencia al flujo de corriente)

Los sensores capacitivos suponen que todos los cambios en la corriente de detección son el resultado de un cambio en la capacidad de la sonda / objetivo debido a un cambio en la sonda / objetivo

Con objetivos sin conexión a tierra, la corriente de detección fluye a través de la capacitancia de la sonda / objetivo y luego a través de la capacitancia del objetivo / tierra

Con objetivos sin conexión a tierra, la corriente de detección fluye a través de la capacitancia sonda / objetivo y luego a través de la capacitancia objetivo / tierra. Si la capacitancia objetivo / tierra es 100 veces (o más) mayor que la capacitancia sonda / objetivo, la medición prácticamente no se ve afectada.

Objetivos sin fundamento

Para detectar la corriente que fluye, debe encontrar un camino a tierra. Cualquier cosa que cambie la resistencia al flujo de corriente afectará la medición. El efecto de usar un objetivo no conectado a tierra depende de la ruta alternativa que la corriente de detección toma a tierra y cuánta resistencia (XC) se encuentra en el camino.

Puesta a tierra capacitiva

Muchos objetivos, aunque no están conectados directamente a tierra, tienen capacitancia a tierra. En este caso, la corriente de detección fluirá a través de la capacitancia de la sonda / objetivo y luego a través de la capacitancia del objetivo / tierra. Si la capacitancia objetivo / tierra es considerablemente mayor que la capacitancia de la sonda / objetivo (> 100 veces), el cambio total en la resistencia al flujo de corriente es insignificante y la medición no se ve afectada. Si la capacitancia del objetivo / tierra es menor que esto, la medición se verá afectada.

Estimación de capacitancia

En términos generales, la capacitancia entre una sonda y el objetivo es aproximadamente 1pF (picofarad). La capacitancia aproximada entre dos placas paralelas es:

Métrica: C = [8.86 x10-15] [Área (mm ^ 2) / Brecha (mm)]
Pulgada: C = [0.225 x10-12] [Área (pulgadas ^ 2) / Brecha (pulgadas)]

Ejemplo: dos placas cuadradas de 1 ″, separadas por 0.001 ″, tienen una capacitancia de 225pF.

Un rotor de husillo con cojinete de aire típico tiene aproximadamente 1000pF a tierra, lo que hace que el error de medición sea esencialmente cero.

Errores de desplazamiento y sensibilidad

Cuando un objetivo no conectado a tierra introduce un error, se presenta en dos formas:

error de compensación—Un cambio en la sonda absoluta / distancia objetivo a una salida de cero voltios, y

error de sensibilidad—Un cambio en la cantidad de cambio de voltaje de salida en relación con un cambio dado en la sonda / distancia objetivo. Debido a que las mediciones capacitivas son generalmente relativas a algún punto de ajuste en oposición a las mediciones de espacio absoluto, el error de compensación generalmente no tiene consecuencias. La mayor preocupación es con los cambios en la sensibilidad, ya que esto cambiará las mediciones relativas realizadas con el sistema.

Variable objetivo / capacitancia de tierra

Si la capacitancia objetivo / tierra es lo suficientemente pequeña como para generar errores y varía con el tiempo, la varianza de la capacitancia aparecerá como ruido de variación de tiempo en la salida. Cuando la capacitancia cambia, se producirá un pequeño cambio de CC en el voltaje de salida. Los cambios continuos en la capacitancia crearán un cambio continuo correspondiente en el voltaje de salida que aparecerá como ruido.

Soluciones para objetivos no fundamentados

Las mediciones de dos canales pueden eliminar la necesidad de un objetivo conectado a tierra al proporcionar una ruta de retorno para la corriente de detección,

Las mediciones de dos canales pueden eliminar la necesidad de un objetivo conectado a tierra al proporcionar una ruta de retorno para la corriente de detección, pero solo cuando los dos canales están sincronizados 180 °.

Medición fuera de fase de dos canales

Realice mediciones con un sistema de dos canales en el que dos canales de accionamiento están sincronizados 180 ° fuera de fase. En esta configuración, la ruta actual está "fuera" de una sonda y "dentro" de la otra. La conexión a tierra ya no es un problema. Una medición de espacio simple solo requiere la salida de un canal. El segundo canal solo proporciona una ruta de retorno para la corriente de detección. Algunas medidas, como el grosor de dos canales, pueden hacer uso de ambos canales.

Limitaciones de dos canales.

El enfoque de dos canales para objetivos sin conexión a tierra requiere que el flujo de corriente en cada canal sea idéntico. Cualquier diferencia entre los dos canales dejará una carga residual en el objetivo y creará un error de compensación. Ambos canales deben ser del mismo modelo de sonda y electrónica y estar calibrados con las mismas especificaciones. Además, los dos canales deben estar sincronizados y 180 ° desfasado. Usar dos canales no configurados en consecuencia no será beneficioso.

Se pueden producir pequeños cambios de fase en diferentes puntos de la calibración de las sondas. Si un sensor está en su espacio mínimo y el otro en su espacio máximo, la diferencia de fase puede ser suficiente para reducir los beneficios del enfoque de dos canales para objetivos sin conexión a tierra. Si esto sucede, el objetivo comenzará a exhibir comportamientos de un objetivo no conectado a tierra cuando las sondas estén en esta condición.

Puesta a tierra con cepillos

Una pieza de conductor flexible con conexión a tierra se puede usar a menudo como un "cepillo" para mantener una conexión a tierra a un objetivo que de otra manera no estaría conectado a tierra. Las tiras de cobre o un cepillo de metal funcionarán bien para esto.

Datos específicos

Las siguientes tablas muestran resultados específicos de objetivos sin conexión a tierra con dos calibraciones diferentes. Ambas calibraciones son calibraciones de mayor resolución. Las calibraciones de mayor resolución mantienen la sonda más cerca del objetivo. Esto aumenta la capacidad de la sonda / objetivo, que a su vez aumenta la capacidad requerida de tierra / objetivo.

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