Sensores Capacitivos vs Sensores de Corriente de Foucault

TECHNOTE LT05-0011

Sensor General TechNote LT05-0011

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Introducción

Los sensores sin contacto que utilizan tecnologías capacitivas y de corrientes parásitas representan una combinación única de ventajas y desventajas para una variedad de aplicaciones. Esta comparación de las fortalezas de las dos tecnologías te ayudará a seleccionar la mejor tecnología para su aplicación.

Tabla de comparación

Una referencia rápida con detalles a continuación.

••• Mejor Elección,  Elección Funcional, , No es una Opción

Factor

Capacitiva

Eddy-Current

Ambientes Sucios , •••
Objetivos Pequeños •••
Rango Grande •••
Materiales Delgados •••
Versatilidad en Material •••
Sondas Múltiples •••
Facilidad de Montaje de la Sonda •••
resolución de problemas •••
Ancho de Banda •••
Costo •••

Construcción del Sensor

Figura 1. Construcción de sonda capacitiva

La comprensión de la diferencia entre los sensores capacitivos y de corriente parásita comienza observando cómo se construyen. En el centro de una sonda capacitiva está el elemento sensor. Esta pieza de acero inoxidable genera el campo eléctrico que se utiliza para detectar la distancia al objetivo. Separado del elemento sensor por una capa aislante está el anillo protector, también de acero inoxidable. El anillo protector rodea el elemento sensor y enfoca el campo eléctrico hacia el objetivo. Algunos componentes electrónicos están conectados al elemento sensor y al anillo protector. Todos estos conjuntos internos están rodeados por una capa aislante y encerrados en una carcasa de acero inoxidable. La carcasa está conectada a la pantalla de tierra del cable (Figura 1).

Figura 2. Eddy-Current Probe Construction

La pieza funcional primaria de una sonda de corriente parásita es la bobina de detección. Esta es una bobina de alambre cerca del final de la sonda. La corriente alterna pasa a través de la bobina que crea un campo magnético alterno; Este campo se utiliza para detectar la distancia al objetivo. La bobina está encapsulada en plástico y epoxi, e instalada en una carcasa de acero inoxidable. Debido a que el campo magnético de un sensor de corriente parásita no se enfoca tan fácilmente como

en el campo eléctrico de un sensor capacitivo, la bobina cubierta de epoxi se extiende desde la carcasa de acero para permitir que el campo de detección completo se enganche en el objetivo (Figura 2).

Tamaño de Punto, Tamaño del Objetivo y Rango

Figura 3. Tamaño de punto de sonda capacitiva

El campo de detección de la sonda de un sensor sin contacto involucra al objetivo en un área determinada. El tamaño de esta área se llama tamaño de punto. El objetivo debe ser más grande que el tamaño del punto o se requerirá una calibración especial. El tamaño del punto siempre es proporcional al diámetro de la sonda. La relación entre el diámetro de la sonda y el tamaño del punto es significativamente diferente para los sensores capacitivos y de corrientes parásitas. Los diferentes tamaños de puntos dan como resultado diferentes tamaños mínimos de objetivo.

Los sensores capacitivos usan un campo eléctrico para detectar. Este campo está enfocado por un anillo protector en la sonda que da como resultado un tamaño de punto 30% mayor que el diámetro del elemento sensor (Figura 3). Una relación típica del rango de detección al diámetro del elemento sensor es 1: 8. Esto significa que para cada unidad de rango, el diámetro del elemento sensor debe ser ocho veces mayor. Por ejemplo, un rango de detección de 500µm requiere un diámetro del elemento sensor de 4000µm (4mm). Esta relación es para calibraciones típicas. La alta resolución y las calibraciones de rango extendido alterarán esta relación.

Figura 4. Tamaño de punto de la sonda Eddy-Current

Los sensores de corriente de Foucault utilizan campos magnéticos que rodean completamente el extremo de la sonda. Esto crea un campo de detección comparativamente grande, que da como resultado un tamaño de punto aproximadamente tres veces mayor que el diámetro de la bobina de detección de la sonda (Figura 4). Para sensores de corriente parásita, la relación del rango de detección al diámetro de la bobina de detección es 1: 3. Esto significa que para cada unidad de rango, el diámetro de la bobina debe ser tres veces mayor. En este caso, el mismo rango de detección de 500µm solo requiere un sensor de corriente parásita de diámetro 1500µm (1.5mm).

Al seleccionar una tecnología de detección, tenga en cuenta el tamaño del objetivo. Los objetivos más pequeños pueden requerir una detección capacitiva. Si su objetivo debe ser más pequeño que el tamaño de punto del sensor, una calibración especial puede compensar los errores de medición inherentes.

Técnica de Detección

Los sensores capacitivos y de corrientes parásitas utilizan diferentes técnicas para determinar la posición del objetivo. Los sensores capacitivos utilizados para la medición de desplazamiento de precisión utilizan un campo eléctrico de alta frecuencia, generalmente entre 500 kHz y 1 MHz. El campo eléctrico se emite desde las superficies del elemento sensor. Para enfocar el campo sensor en el objetivo, un anillo de protección crea un campo eléctrico separado pero idéntico que aísla el campo del elemento sensor de todo menos del objetivo (Figura 5).

Figura 5. Protección de sonda capacitiva

La cantidad de flujo de corriente en el campo eléctrico está determinada en parte por la capacitancia entre el elemento sensor y la superficie objetivo. Debido a que el tamaño del elemento objetivo y del sensor son constantes, la capacitancia está determinada por la distancia entre la sonda y el objetivo, suponiendo que el material en el espacio no cambie. Los cambios en la distancia entre la sonda y el objetivo cambian la capacitancia que a su vez cambia el flujo de corriente en el elemento sensor. La electrónica del sensor produce un voltaje de salida calibrado que es proporcional a la magnitud de este flujo de corriente, lo que da como resultado una indicación de la posición objetivo.

En lugar de campos eléctricos, los sensores de corrientes parásitas usan campos magnéticos para detectar la distancia al objetivo. La detección comienza pasando una corriente alterna a través de la bobina de detección. Esto crea un campo magnético alterno alrededor de la bobina. Cuando este campo magnético alterno interactúa con el objetivo conductor, induce una corriente en el material objetivo llamada corriente de foucault. Esta corriente parásita produce su propio campo magnético que se opone al campo de la bobina de detección (Figura 6).

Figura 6 induce campo magnético
corriente de Foucault en blanco conductivo

A medida que las corrientes parásitas se oponen al campo de detección del objetivo, la impedancia de la bobina de detección cambiará. La cantidad de cambio de impedancia depende de la distancia entre el objetivo, y la bobina de detección en la sonda. El flujo de corriente en la bobina de detección que depende de la impedancia, se procesa para crear el voltaje de salida, que es una indicación de la posición del objetivo con respecto a la sonda.

Fuentes de Error

Los sensores de corriente de foucault utilizan cambios en un campo magnético para determinar la distancia al objetivo; Los sensores capacitivos usan cambios en la capacitancia. Hay otros factores además de la distancia al objetivo que también pueden cambiar un campo magnético o capacitancia. Estos factores representan posibles fuentes de error en su aplicación. Afortunadamente, en la mayoría de los casos estas fuentes de error son diferentes para las dos tecnologías. Comprender la presencia y la magnitud de estas fuentes de error en su aplicación lo ayudará a elegir la mejor tecnología de detección.
El resto de este artículo explicará estas fuentes de error para que pueda tomar la mejor decisión para su aplicación, y obtener los mejores resultados posibles.

Contaminación de Brecha

Figura 7 Contaminación por huecos
crea cambio en dieléctrico gap

En algunas aplicaciones el espacio entre el sensor y el objetivo puede contaminarse con polvo, líquidos como refrigerantes, y otros materiales que no forman parte de la medición prevista. La forma en que el sensor reacciona a la presencia de estos contaminantes es un factor crítico en la elección entre un sensores capacitivos o de corrientes parásitas.

Los sensores capacitivos suponen que los cambios en la capacitancia entre el sensor y el objetivo son el resultado de un cambio en la distancia entre ellos. Otro factor que afecta la capacitancia es la constante dieléctrica (ε) del material en el espacio entre el objetivo y el sensor. La constante dieléctrica del aire es ligeramente mayor que uno; Si otro material, con una constante dieléctrica diferente ingresa al espacio del sensor / objetivo, la capacitancia aumentará y el sensor indicará erróneamente que el objetivo se ha acercado al sensor (Figura 7). Cuan mayor sea la constante dieléctrica del contaminante, mayor será el efecto sobre el sensor. El aceite tiene una constante dieléctrica entre 8 y 12. El agua tiene una constante dieléctrica alta de 80.

Debido a la sensibilidad a la constante dieléctrica del material entre el sensor y el objetivo, los sensores de desplazamiento capacitivo deben usarse en un entorno limpio cuando se mide la posición del objetivo.

La sensibilidad dieléctrica de los sensores capacitivos se puede aprovechar para usar en la detección del espesor o la densidad de materiales no conductores. Para obtener más información sobre este tipo de aplicación, consulte nuestro nota titulada Teoría del Sensor Capacitivo Nota Técnica.

A diferencia de los sensores capacitivos, los sensores de corriente parásita utilizan campos magnéticos para detectar. Los campos magnéticos no se ven afectados por contaminantes no conductores como el polvo, el agua y el aceite. A medida que estos contaminantes ingresan al área de detección entre un sensor de corrientes parásitas y el objetivo, la salida del sensor no se vera afectada.

Por esta razón, un sensor de corriente parásita es la mejor opción cuando la aplicación involucra un entorno sucio u hostil. Las sondas de corriente parásita Lion Precision están clasificadas en IP67 e incluso se pueden usar completamente sumergidas en líquidos no corrosivos.

Espesor del Objetivo

Los sensores capacitivos y de corrientes parásitas tienen diferentes requisitos para el grosor objetivo. El campo eléctrico de un sensor capacitivo se aplica solo a la superficie del objetivo sin penetración significativa en el material. Debido a esto, los sensores capacitivos no se ven afectados por el grosor del material.

El campo magnético de un sensor de corrientes parásitas debe penetrar en la superficie del objetivo para inducir corrientes parásitas en el material. Si el material es demasiado delgado, las corrientes de foucault más pequeñas en el objetivo prodiran un campo magnético más débil. Esto causara que el sensor tenga una sensibilidad reducida y una menor relación señal / ruido.

La profundidad de penetración del campo magnético del sensor depende del material, y la frecuencia del campo magnético oscilante del sensor. Los sensores de corriente parásita Lion Precision suelen utilizar una frecuencia de 1-2MHz. La tabla 1 muestra espesores mínimos para algunos materiales comunes.

Para mas detalles lee la nota titulada Nota técnica mínima recomendada sobre el espesor del objetivo.

Materiales del Objetivo y Objetivos Rotativos

Los sensores capacitivos y de corrientes parásitas responden de manera diferente a las diferencias en el material del objetivo. El campo magnético de un sensor de corrientes parásitas penetra el objetivo e induce una corriente parásita en el material que crea un campo magnético que se opone al campo de la sonda. La fuerza de la corriente de foucault y el campo magnético resultante dependen de la permeabilidad y la resistencia del material. Estas propiedades varían entre los diferentes materiales. También se pueden cambiar mediante diferentes técnicas de procesamiento, como tratamiento térmico o recocido. Por ejemplo, dos piezas de aluminio idénticas que se procesaron de manera diferente pueden tener diferentes propiedades magnéticas. Entre los diferentes materiales no magnéticos como el aluminio y el titanio, la variación de la permeabilidad y la resistividad puede ser pequeña, pero un sensor de corriente parásita de alto rendimiento, calibrado para un material no magnético seguirá produciendo errores cuando se usa con un material no magnético diferente.

Las diferencias entre los materiales no magnéticos como el aluminio y el titanio, y los materiales magnéticos como el hierro o el acero son enormes. Mientras que la permeabilidad relativa del aluminio y el titanio es aproximadamente el mismo, la permeabilidad relativa del hierro puede ser tan alta como 10,000.
No es probable que los sensores de corriente de foucault calibrados para materiales no magnéticos funcionen en lo absoluto cuando se usan con materiales magnéticos. Cuando se utilizan sensores de corrientes parásitas para mediciones precisas es fundamental que el sensor se calibre para el material específico utilizado en la aplicación.
La alta permeabilidad de los materiales magnéticos como el hierro y el acero también puede causar pequeños errores en el sensor de corrientes parásitas dentro de la misma pieza de material. Cualquier material es imperfecto, hay grietas microscópicas y variaciones de material. La permeabilidad del material cambia ligeramente alrededor de estas áreas. Si bien los cambios son relativamente pequeños, la permeabilidad extremadamente alta de los materiales magnéticos permite que los sensores de corriente parásita de alta resolución detecten estos cambios. Este problema es más evidente en objetivos giratorios de materiales magnéticos.

Figura 8 Gráfico de desviación que muestra
agotamiento real en azul,
y desviación eléctrica de
sensor de corriente parásita en rojo.

Se puede montar un sensor de corriente parásita para medir la desviación de un eje giratorio. Incluso cuando el eje es ideal, sin absolutamente ningún agotamiento, un sensor de corriente parásita de alta resolución detectará un patrón que se repite de cambios a medida que el eje gira (Figura 8). Estos cambios son el resultado de pequeñas variaciones en el material. Este fenómeno es bien conocido y se llama desviación eléctrica. Estos errores pueden ser pequeños y a menudo en el rango de micras. Muchas aplicaciones de desviación del eje, especialmente aquellas en entornos hostiles donde los sensores de corrientes parásitas son la norma, buscan errores mucho mayores por lo tanto, pueden tolerar estos errores. Otras aplicaciones más precisas necesitarán usar técnicas para abordar estos errores o usar una tecnología de detección diferente como los sensores capacitivos.

El campo eléctrico de un sensor capacitivo utiliza el objetivo como una ruta conductora a tierra. Todos los materiales conductores ofrecen esto, por lo que los sensores capacitivos miden todos los materiales conductores de la misma manera. Una vez que se calibra un sensor capacitivo, puede usarse con cualquier objetivo conductor sin degradación en el rendimiento.

Debido a que el campo eléctrico de un sensor capacitivo no penetra el material, las variaciones dentro del material no afectan la medición. Los sensores capacitivos no exhiben el fenómeno de desviación eléctrica de los sensores de corrientes parásitas, y pueden usarse con objetivos giratorios de cualquier material conductor sin errores adicionales.

Los sensores de corrientes parásitas deben calibrarse con el mismo material que el objetivo en la aplicación, y no deben usarse con objetivos de material magnético giratorio a menos que los errores de desviación eléctrica sean aceptables en la aplicación. Los sensores capacitivos una vez calibrados, se pueden utilizar con cualquier material conductor sin errores relacionados con el material, y funcionan bien con objetivos rotativos.

Parámetros Ambientales: Temperatura y Vacío

Debido a las diferencias en la física de detección, y las diferencias asociadas en la electrónica del controlador los sensores capacitivos y de corrientes parásitas tienen diferentes rangos de temperatura de funcionamiento de la sonda, y compatibilidad de vacío.

Las sondas capacitivas y de corrientes parásitas Lion Precision tienen diferentes rangos de temperatura de funcionamiento. Las sondas de corrientes parásitas, debido a su tolerancia a los ambientes hostiles, tienen un rango de temperatura mayor. Las sondas estándares de corrientes parásitas que utilizan cables de poliuretano, tienen un rango de funcionamiento de -25 a + 125 ° C. Las sondas de alta temperatura que usan cables de teflón FEP, tienen un rango operativo de -25 a + 200 ° C. Las sondas capacitivas que se ven afectadas por la condensación, solo tienen un rango operativo de + 4 a + 50 ° C. La electrónica del controlador para ambas tecnologías de detección tiene un rango operativo de + 4 a + 50 ° C.

Las sondas capacitivas y de corrientes parásitas pueden usarse en aplicaciones de vacío. Los materiales en las sondas se seleccionan por su estabilidad estructural y minimización de la desgasificación al vacío. Las sondas compatibles con vacío se someten a un proceso de limpieza adicional y un embalaje especial para eliminar materiales extraños que pueden amenazar un delicado entorno de vacío.

Muchas aplicaciones de vacío requieren un control preciso de la temperatura. El consumo de energía de la sonda con su contribución asociada al cambio de temperatura, es donde las tecnologías capacitivas y de corrientes parásitas difieren. Una sonda capacitiva tiene un flujo de corriente y un consumo de energía extremadamente pequeña. Una sonda capacitiva típica consume menos de 40µW de potencia, contribuyendo con poco calor a la cámara de vacío.

El consumo de energía en una sonda de corriente parásita puede variar de 40µW y tan alto como 1mW. Con estas potencias más altas la sonda de corriente parásita contribuirá con más calor a la cámara de vacío, y podría alterar los entornos de vacío de alta precisión. El consumo de energía en una sonda de corriente parásita depende de muchos factores; El tamaño de la sonda por sí solo no es un buen predictor del consumo de energía. El consumo de energía de cada sensor de corrientes parásitas debe evaluarse individualmente.
Los sensores capacitivos, o de corriente parásita pueden funcionar bien en entornos de vacío. En las aspiradoras sensibles a la temperatura, los sensores de corrientes parásitas pueden aportar demasiado calor para la aplicación. En estas aplicaciones los sensores capacitivos serán una mejor opción.

Montaje de la Sonda

Figura 9. La interferencia ocurre cuando
sondas de corrientes parásitas son
montados uno cerca del otro.

Debido a las diferencias en la forma, y la naturaleza reactiva de los campos de detección de los sensores capacitivos y de corrientes parásitas, las tecnologías tienen diferentes requisitos de montaje de la sonda. Las sondas de corrientes parásitas producen campos magnéticos comparativamente grandes. El diámetro del campo es al menos tres veces mayor que el diámetro de la sonda, y mayor de tres diámetros para sondas grandes. Si se montan varias sondas juntas, los campos magnéticos interactuarán (Figura 9). Esta interacción creará errores en las salidas del sensor. Si este tipo de montaje es inevitable, sensores basados ​​en tecnología digital como el ECL202 puede calibrarse especialmente para reducir, o eliminar la interferencia de las sondas adyacentes.

El campo magnético de una sonda de corriente parásita también se extiende alrededor de un diámetro y medio detrás de la sonda. Cualquier objeto metálico en esta área, generalmente el equipo de montaje, interactuará con el campo lo cual afectará la salida del sensor (Figura 10). Si el equipo de montaje cercano es inevitable, los sensores se pueden calibrar con el equipo de montaje en su lugar, lo que compensará el efecto del equipo.

Figura 10. El hardware de montaje puede
interferir con la corriente de Foucault
Sonda de campo magnético.

Los campos eléctricos de las sondas capacitivas solo se emiten desde la superficie frontal de la sonda. El campo tiene una forma ligeramente cónica que da como resultado un tamaño de punto aproximadamente 30% mayor que el diámetro del área de detección. El equipo de montaje cercano, u otros objetos rara vez se encuentran en el área de campo por lo tanto, no afectan la calibración del sensor. Cuando se usan múltiples sensores capacitivos independientes con el mismo objetivo, el campo eléctrico de una sonda puede estar tratando de agregar carga al objetivo, mientras que otro sensor está tratando de eliminar la carga (Figura 11).

Esta interacción conflictiva con el objetivo creará errores en las salidas de los sensores. Este problema se resuelve fácilmente sincronizando los sensores. La sincronización establece la señal de activación de todos los sensores en la misma fase para que todas las sondas agreguen o eliminen carga simultáneamente lo cual eliminara la interferencia. Todos los sistemas de múltiples canales Lion Precision están sincronizados, lo que elimina cualquier preocupación sobre esta fuente de error.

Figura 11. Capacitiva no sincronizada
los sensores interferirán cuando
usado en el mismo objetivo.

Cuando una aplicación requiere el uso de múltiples sondas con un objetivo común, los sensores capacitivos sincronizados son fáciles de usar. Si la aplicación requiere tecnología de corrientes parásitas, se debe tener especial cuidado en el plan de montaje y se puede requerir una calibración especial.

Resumen

Hay muchos factores a considerar al momento de elegir entre sensores de desplazamiento capacitivos y de corrientes parásitas. Cualquier aplicación que involucre contaminantes en el área de medición, como líquidos o material de desecho requiere detección de corriente parásita. Los sensores capacitivos requieren un ambiente limpio.

Los objetivos pequeños se medirán fácilmente con sensores capacitivos debido al tamaño comparativamente pequeño del campo de detección capacitiva. Cuando se requiere la detección de corrientes parásitas, se puede usar una calibración especial con objetivos pequeños.
Para la sonda capacitiva o de corriente parásita del mismo tamaño, la sonda de corriente parásita tendrá un rango de medición mayor.

Debido a que las sondas capacitivas interactúan con la superficie del objetivo, el grosor del material no es un factor en las mediciones capacitivas. Los sensores de corriente de foucault tienen requisitos mínimos de espesor objetivo.

Los sensores capacitivos no tienen sensibilidad al material del objetivo, siempre que sea conductivo. Los sensores de corriente de foucault son sensibles a las diferencias de material, y deben calibrarse para el material especifico.

Cuando se usan múltiples sondas los sensores capacitivos deben estar sincronizados, pero se pueden montar juntos sin interferencia. Incluso cuando están sincronizadas, las sondas de corrientes parásitas interactuarán si se montan juntas. Cuando esto es inevitable, se puede utilizar una calibración especial, pero solo está disponible con sensores digitales como Lion Precision ECL202.

El pequeño campo de detección de una sonda capacitiva que se dirige solo al objetivo, evita que detecte el equipo de montaje u objetos cercanos. El gran campo de detección de corriente de foucault puede detectar el equipo de montaje u otros objetos, si están demasiado cerca del área de detección.
Otras dos especificaciones difieren entre las dos tecnologías: resolución y ancho de banda. Los sensores capacitivos tienen resoluciones más altas que los sensores de corrientes parásitas, lo que los convierte en una mejor opción para aplicaciones precisas y de alta resolución.

La mayoría de los sensores capacitivos y de corrientes parásitas tienen anchos de banda de 10-15kHz, pero algunos sensores de corrientes parásitas (ECL101) tienen anchos de banda de hasta 80 kHz.

Otra diferencia entre las tecnologías es el costo. En términos generales, los sensores de corrientes parásitas son de menor costo.

Esta revisión de las diferencias entre las tecnologías de detección capacitiva, y de corrientes parásitas lo ayudará a determinar qué tecnología es la mejor opción para su aplicación. Por favor Contáctenos para obtener más ayuda en la selección del mejor sensor.

ENLACES ÚTILES

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