Confronto tra sensori capacitivi e correnti parassite

TECHNOTE LT05-0011

TechNote sensore generale LT05-0011

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Introduzione

I sensori senza contatto che utilizzano tecnologie capacitive e a correnti parassite rappresentano ciascuna una combinazione unica di vantaggi e svantaggi per una varietà di applicazioni. Questo confronto tra i punti di forza delle due tecnologie ti aiuterà a selezionare la migliore tecnologia per la tua applicazione.

Tavola di comparazione

Un rapido riferimento con i dettagli di seguito.

•• Scelta migliore, · XNUMX€ Scelta funzionale, - Non è un'opzione

Fattore

Capacitivo

Eddy-Current

Ambienti sporchi - ••
Piccoli obiettivi •• · XNUMX€
Ampia gamma · XNUMX€ ••
Materiali sottili •• · XNUMX€
Versatilità materiale •• · XNUMX€
Sonde multiple •• · XNUMX€
Facilità di montaggio della sonda •• · XNUMX€
Risoluzione •• · XNUMX€
Larghezza di banda · XNUMX€ ••
Costo · XNUMX€ ••

Costruzione del sensore

Figura 1. Costruzione della sonda capacitiva

Comprendere la differenza tra i sensori capacitivi e quelli a correnti parassite inizia osservando come sono costruiti. Al centro di una sonda capacitiva si trova l'elemento sensibile. Questo pezzo di acciaio inossidabile genera il campo elettrico che viene utilizzato per rilevare la distanza dal bersaglio. Separato dall'elemento sensibile da uno strato isolante è l'anello di protezione, anch'esso in acciaio inossidabile. L'anello di protezione circonda l'elemento sensibile e focalizza il campo elettrico verso il bersaglio. Alcuni componenti elettronici sono collegati all'elemento sensibile e all'anello di protezione. Tutti questi assemblaggi interni sono circondati da uno strato isolante e racchiusi in un alloggiamento in acciaio inossidabile. L'alloggiamento è collegato alla schermatura messa a terra del cavo (Figura 1).

Figura 2. Costruzione della sonda a correnti parassite

Il pezzo funzionale principale di una sonda a correnti parassite è la bobina di rilevamento. Questa è una bobina di filo vicino all'estremità della sonda. La corrente alternata viene fatta passare attraverso la bobina che crea un campo magnetico alternato; questo campo viene utilizzato per rilevare la distanza dal bersaglio. La bobina è incapsulata in plastica ed epossidica e installata in un alloggiamento di acciaio inossidabile. Perché il campo magnetico di un sensore a correnti parassite non è facilmente focalizzato come

il campo elettrico di un sensore capacitivo, la bobina con rivestimento epossidico si estende dall'alloggiamento in acciaio per consentire al campo di rilevamento completo di impegnare il bersaglio (Figura 2).

Dimensioni spot, dimensioni target e intervallo

Figura 3. Dimensioni del punto della sonda capacitiva

Il campo di rilevamento della sonda di un sensore senza contatto impegna il bersaglio su una determinata area. La dimensione di quest'area è chiamata dimensione spot. L'obiettivo deve essere più grande della dimensione del punto o sarà richiesta una speciale calibrazione. La dimensione del punto è sempre proporzionale al diametro della sonda. Il rapporto tra diametro della sonda e dimensione del punto è significativamente diverso per i sensori capacitivi e per correnti parassite. Queste diverse dimensioni dello spot comportano dimensioni target minime diverse.

I sensori capacitivi utilizzano un campo elettrico per il rilevamento. Questo campo è focalizzato da un anello di protezione sulla sonda che si traduce in una dimensione del punto di circa il 30% maggiore del diametro dell'elemento sensibile (Figura 3). Un rapporto tipico tra il campo di rilevamento e il diametro dell'elemento di rilevamento è 1: 8. Ciò significa che per ogni unità di portata, il diametro dell'elemento sensibile deve essere otto volte più grande. Ad esempio, un intervallo di rilevamento di 500 µm richiede un diametro dell'elemento di rilevamento di 4000 µm (4 mm). Questo rapporto è per le calibrazioni tipiche. Le calibrazioni ad alta risoluzione e ad ampio raggio modificheranno questo rapporto.

Figura 4. Dimensioni del punto della sonda a correnti parassite

I sensori a correnti parassite utilizzano campi magnetici che circondano completamente l'estremità della sonda. Ciò crea un campo di rilevamento relativamente grande che si traduce in una dimensione del punto approssimativamente tre volte il diametro della bobina di rilevamento della sonda (Figura 4). Per i sensori a correnti parassite, il rapporto tra il campo di rilevamento e il diametro della bobina di rilevamento è 1: 3. Ciò significa che per ogni unità della gamma, il diametro della bobina deve essere tre volte più grande. In questo caso, lo stesso intervallo di rilevamento di 500 µm richiede solo un sensore a correnti parassite di 1500 µm (1.5 mm).

Quando si seleziona una tecnologia di rilevamento, considerare la dimensione target. Target più piccoli potrebbero richiedere un rilevamento capacitivo. Se il target deve essere inferiore alla dimensione del punto del sensore, una calibrazione speciale potrebbe essere in grado di compensare gli errori di misurazione intrinseci.

Tecnica di rilevamento

I sensori capacitivi e correnti parassite utilizzano tecniche diverse per determinare la posizione del bersaglio. I sensori capacitivi utilizzati per la misura di spostamento di precisione utilizzano un campo elettrico ad alta frequenza, solitamente tra 500 kHz e 1 MHz. Il campo elettrico viene emesso dalle superfici dell'elemento sensibile. Per focalizzare il campo di rilevamento sul bersaglio, un anello di guardia crea un campo elettrico separato ma identico che isola il campo dell'elemento di rilevamento da tutto tranne il bersaglio (Figura 5).

Figura 5. Protezione della sonda capacitiva

La quantità di flusso di corrente nel campo elettrico è determinata in parte dalla capacità tra l'elemento sensibile e la superficie target. Poiché le dimensioni del bersaglio e dell'elemento sensibile sono costanti, la capacità è determinata dalla distanza tra la sonda e il bersaglio, supponendo che il materiale nello spazio non cambi. I cambiamenti nella distanza tra la sonda e il target cambiano la capacità che a sua volta cambia il flusso di corrente nell'elemento sensibile. L'elettronica del sensore produce una tensione di uscita calibrata che è proporzionale all'entità di questo flusso di corrente, con conseguente indicazione della posizione target.

Invece di campi elettrici, i sensori a correnti parassite usano campi magnetici per rilevare la distanza dal bersaglio. Il rilevamento inizia passando la corrente alternata attraverso la bobina di rilevamento. Questo crea un campo magnetico alternato attorno alla bobina. Quando questo campo magnetico alternato interagisce con il bersaglio conduttivo, induce una corrente nel materiale bersaglio chiamata corrente parassita. Questa corrente parassita produce un proprio campo magnetico che si oppone al campo della bobina di rilevamento (Figura 6).

Figura 6 Il campo magnetico induce
correnti parassite nel bersaglio conduttivo

Man mano che le correnti parassite nel bersaglio si oppongono al campo di rilevamento, l'impedenza della bobina di rilevamento cambierà. La quantità di variazione dell'impedenza dipende dalla distanza tra il bersaglio e la bobina di rilevamento nella sonda. Il flusso di corrente nella bobina di rilevamento, che dipende dall'impedenza, viene elaborato per creare la tensione di uscita che è un'indicazione della posizione del target rispetto alla sonda.

Fonti di errore

I sensori a correnti parassite utilizzano i cambiamenti in un campo magnetico per determinare la distanza dal bersaglio; i sensori capacitivi utilizzano i cambiamenti di capacità. Ci sono fattori diversi dalla distanza dal bersaglio che possono anche cambiare un campo magnetico o capacità. Questi fattori rappresentano potenziali fonti di errore nell'applicazione. Fortunatamente, nella maggior parte dei casi queste fonti di errore sono diverse per le due tecnologie. Comprendere la presenza e l'entità di queste fonti di errore nell'applicazione ti aiuterà a scegliere la migliore tecnologia di rilevamento.
Il resto di questo articolo spiegherà queste fonti di errore in modo da poter fare la scelta migliore per la tua applicazione e ottenere i migliori risultati possibili.

Spacco Contaminazione

Figura 7 Contaminazione del gap
crea un cambiamento nel dielettrico gap

In alcune applicazioni, lo spazio tra il sensore e il target può essere contaminato da polvere, liquidi come liquido di raffreddamento e altri materiali che non fanno parte della misurazione prevista. Il modo in cui il sensore reagisce alla presenza di questi contaminanti è un fattore critico nella scelta dei sensori capacitivi o a correnti parassite.

I sensori capacitivi ipotizzano che i cambiamenti di capacità tra il sensore e il bersaglio siano il risultato di un cambiamento di distanza tra loro. Un altro fattore che influenza la capacità è la costante dielettrica (ε) del materiale nello spazio tra il bersaglio e il sensore. La costante dielettrica dell'aria è leggermente maggiore di una; se un altro materiale, con una costante dielettrica diversa, entra nel gap sensore / target, la capacità aumenterà e il sensore indicherà erroneamente che il target si è avvicinato al sensore (Figura 7). Maggiore è la costante dielettrica del contaminante, maggiore è l'effetto sul sensore. L'olio ha una costante dielettrica tra 8 e 12. L'acqua ha una costante dielettrica molto alta di 80.

A causa della sensibilità alla costante dielettrica del materiale tra il sensore e il bersaglio, i sensori di spostamento capacitivo devono essere utilizzati in un ambiente pulito quando si misura la posizione del bersaglio.

La sensibilità dielettrica dei sensori capacitivi può essere sfruttata per l'uso nel rilevamento dello spessore o della densità di materiali non conduttivi. Per ulteriori informazioni su questo tipo di applicazione, consultare il nostro Teoria dei sensori capacitivi TechNote.

A differenza dei sensori capacitivi, i sensori a correnti parassite utilizzano campi magnetici per il rilevamento. I campi magnetici non sono influenzati da contaminanti non conduttivi come polvere, acqua e olio. Poiché questi contaminanti entrano nell'area di rilevamento tra un sensore a correnti parassite e il bersaglio, l'uscita del sensore non viene influenzata.

Per questo motivo, un sensore a correnti parassite è la scelta migliore quando l'applicazione coinvolge un ambiente sporco o ostile. Le sonde a corrente parassita Lion Precision sono classificate a IP67 e possono anche essere utilizzate completamente immerse in liquidi non corrosivi.

Spessore target

I sensori capacitivi e a correnti parassite hanno requisiti diversi per lo spessore target. Il campo elettrico di un sensore capacitivo impegna solo la superficie del bersaglio senza penetrazione significativa nel materiale. Per questo motivo, i sensori capacitivi non sono influenzati dallo spessore del materiale.

Il campo magnetico di un sensore a correnti parassite deve penetrare nella superficie del bersaglio per indurre correnti parassite nel materiale. Se il materiale è troppo sottile, correnti parassite più piccole nell'obiettivo producono un campo magnetico più debole. Ciò comporta una riduzione della sensibilità del sensore e un rapporto segnale / rumore minore.

La profondità di penetrazione del campo magnetico del sensore dipende dal materiale e dalla frequenza del campo magnetico oscillante del sensore. I sensori a correnti parassite Lion Precision utilizzano in genere una frequenza di 1-2 MHz. La tabella 1 mostra gli spessori minimi per alcuni materiali comuni.

Maggiori dettagli sono disponibili sul Spessore minimo consigliato Nota tecnica.

Materiali target e target rotanti

I sensori capacitivi e a correnti parassite rispondono in modo diverso alle differenze nel materiale target. Il campo magnetico di un sensore a correnti parassite penetra nel bersaglio e induce una corrente parassita nel materiale che crea un campo magnetico che si oppone al campo dalla sonda. La forza della corrente parassita e il campo magnetico risultante dipendono dalla permeabilità e dalla resistività del materiale. Queste proprietà variano tra materiali diversi. Possono anche essere modificati mediante diverse tecniche di lavorazione come il trattamento termico o la ricottura. Ad esempio, due pezzi di alluminio altrimenti identici che sono stati elaborati in modo diverso possono avere proprietà magnetiche diverse. Tra diversi materiali non magnetici come l'alluminio e il titanio, la varianza di permeabilità e resistività può essere ridotta, ma un sensore a correnti parassite ad alte prestazioni calibrato per un materiale non magnetico produrrà comunque errori se utilizzato con un diverso materiale non magnetico.

Le differenze tra materiali non magnetici come alluminio e titanio e materiali magnetici come ferro o acciaio sono enormi. Mentre la permeabilità relativa di alluminio e titanio è approssimativamente una, la permeabilità relativa del ferro può arrivare fino a 10,000.
È improbabile che i sensori a correnti parassite calibrati per materiali non magnetici funzionino se utilizzati con materiali magnetici. Quando si utilizzano sensori a correnti parassite per misurazioni precise, è fondamentale che il sensore sia calibrato per il materiale specifico utilizzato nell'applicazione.
L'elevata permeabilità di materiali magnetici come ferro e acciaio può anche causare piccoli errori del sensore a correnti parassite all'interno dello stesso pezzo di materiale. All'interno di qualsiasi materiale imperfetto, ci sono crepe microscopiche e variazioni di materiale. La permeabilità del materiale cambia leggermente attorno a queste aree. Mentre i cambiamenti sono relativamente piccoli, l'altissima permeabilità dei materiali magnetici consente ai sensori a correnti parassite ad alta risoluzione di rilevare tali cambiamenti. Questo problema è più evidente negli obiettivi rotanti di materiali magnetici.

Figura 8 Rappresentazione del diagramma di runout
vero runout in blu,
e runout elettrico da
sensore a correnti parassite in rosso.

È possibile montare un sensore a correnti parassite per misurare il runout di un albero rotante. Ma anche se l'albero è l'ideale, senza alcun runout, un sensore a correnti parassite ad alta risoluzione rileverà un modello ripetibile di cambiamenti mentre l'albero ruota (Figura 8). Queste modifiche sono il risultato di piccole variazioni nel materiale. Questo fenomeno è ben noto e si chiama runout elettrico. Questi errori possono essere piccoli, spesso nella gamma dei micron. Molte applicazioni di runout dell'albero, in particolare quelle in ambienti ostili in cui i sensori di correnti parassite sono la norma, sono alla ricerca di errori molto più grandi e possono quindi tollerarli. Altre applicazioni più precise dovranno utilizzare tecniche per affrontare questi errori o utilizzare una diversa tecnologia di rilevamento come i sensori capacitivi.

Il campo elettrico di un sensore capacitivo utilizza l'obiettivo come percorso conduttivo verso terra. Tutti i materiali conduttivi offrono altrettanto bene, quindi i sensori capacitivi misurano tutti i materiali conduttivi allo stesso modo. Una volta calibrato un sensore capacitivo, può essere utilizzato con qualsiasi target conduttivo senza deterioramento delle prestazioni.

Poiché il campo elettrico di un sensore capacitivo non penetra nel materiale, le variazioni all'interno del materiale non influiscono sulla misurazione. I sensori capacitivi non presentano il fenomeno del runout elettrico dei sensori a correnti parassite e possono essere utilizzati con obiettivi rotanti di qualsiasi materiale conduttivo senza errori aggiuntivi.

I sensori a correnti parassite devono essere calibrati sullo stesso materiale del target nell'applicazione e non devono essere utilizzati con target rotanti di materiale magnetico a meno che gli errori di runout elettrico non siano accettabili nell'applicazione. I sensori capacitivi, una volta calibrati, possono essere utilizzati con qualsiasi materiale conduttivo senza errori relativi al materiale e funzionano bene con obiettivi rotanti.

Parametri ambientali: temperatura e vuoto

A causa delle differenze nella fisica di rilevamento e delle differenze associate nell'elettronica del driver, i sensori capacitivi e a correnti parassite hanno diversi intervalli di temperatura operativa della sonda e compatibilità del vuoto.

Le sonde capacitive e a correnti parassite Lion Precision hanno diversi intervalli di temperatura operativa. Le sonde a correnti parassite, a causa della loro tolleranza agli ambienti ostili, hanno un intervallo di temperatura maggiore. Le sonde a correnti parassite standard, che utilizzano cavi in ​​poliuretano, hanno un campo di funzionamento da -25 a + 125 ° C. Le sonde per alte temperature, che utilizzano cavi FEP in teflon, hanno un campo di funzionamento da -25 a + 200 ° C. Le sonde capacitive, che sono interessate dalla condensa, hanno solo un intervallo operativo da +4 a +50 ° C. L'elettronica del driver per entrambe le tecnologie di rilevamento ha un intervallo operativo da +4 a + 50 ° C.

Le sonde capacitive e a correnti parassite possono essere utilizzate sia in applicazioni a vuoto. I materiali nelle sonde sono selezionati per stabilità strutturale e minimizzazione del degassamento sotto vuoto. Le sonde compatibili con il vuoto sono sottoposte a un ulteriore processo di pulizia e imballaggi speciali per rimuovere materiali estranei che potrebbero minacciare un delicato ambiente di vuoto.

Molte applicazioni del vuoto richiedono un controllo preciso della temperatura. Il consumo energetico della sonda, con il suo contributo associato al cambiamento di temperatura, è dove le tecnologie capacitive e a correnti parassite differiscono. Una sonda capacitiva ha un flusso di corrente e un consumo di energia estremamente ridotti. Una tipica sonda capacitiva consuma meno di 40µW di potenza, contribuendo con poco calore alla camera del vuoto.

Il consumo di energia in una sonda a correnti parassite può variare da 40 µW a 1 mW. A queste potenze più elevate, la sonda a correnti parassite contribuirà più calore alla camera del vuoto e potrebbe disturbare gli ambienti del vuoto ad alta precisione. Il consumo di energia in una sonda a correnti parassite dipende da molti fattori; la dimensione della sonda da sola non è un buon predittore del consumo di energia. Il consumo energetico di ciascun sensore a correnti parassite deve essere valutato singolarmente.
I sensori capacitivi o a correnti parassite possono funzionare bene in ambienti sotto vuoto. Nei vuoti termosensibili, i sensori a correnti parassite possono contribuire a generare troppo calore per l'applicazione. In queste applicazioni, i sensori capacitivi saranno una scelta migliore.

Montaggio della sonda

Figura 9. L'interferenza si verifica quando
sono le sonde a correnti parassite
montato uno accanto all'altro.

A causa delle differenze nella forma e nella natura reattiva dei campi di rilevamento dei sensori capacitivi e a correnti parassite, le tecnologie hanno requisiti di montaggio della sonda diversi. Le sonde a correnti parassite producono campi magnetici relativamente grandi. Il diametro del campo è almeno tre volte più grande del diametro della sonda e maggiore di tre diametri per sonde di grandi dimensioni. Se più sonde sono montate vicine tra loro, i campi magnetici interagiranno (Figura 9). Questa interazione creerà errori nelle uscite del sensore. Se questo tipo di montaggio è inevitabile, sensori basati su tecnologia digitale come il ECL202 può essere appositamente calibrato per ridurre o eliminare l'interferenza da sonde adiacenti.

Anche il campo magnetico di una sonda a correnti parassite si estende per circa un diametro e mezzo dietro la sonda. Eventuali oggetti metallici in quest'area, solitamente montando l'hardware, interagiranno con il campo e influenzeranno l'uscita del sensore (Figura 10). Se l'hardware di montaggio nelle vicinanze è inevitabile, i sensori possono essere calibrati con l'hardware di montaggio in posizione che compenserà l'effetto dell'hardware.

Figura 10. Scatola di montaggio hardware
interferire con la corrente parassita
campo magnetico della sonda.

I campi elettrici delle sonde capacitive vengono emessi solo dalla superficie frontale della sonda. Il campo ha una forma leggermente conica che si traduce in una dimensione del punto di circa il 30% maggiore del diametro dell'area di rilevamento. L'hardware di montaggio nelle vicinanze o altri oggetti si trovano raramente nell'area di campo e pertanto non influiscono sulla calibrazione del sensore. Quando vengono utilizzati più sensori capacitivi indipendenti con lo stesso target, il campo elettrico proveniente da una sonda potrebbe tentare di aggiungere carica al target, mentre un altro sensore sta tentando di rimuovere la carica (Figura 11).

Questa interazione conflittuale con il target creerà errori nelle uscite dei sensori. Questo problema può essere facilmente risolto sincronizzando i sensori. La sincronizzazione imposta il segnale di azionamento di tutti i sensori sulla stessa fase in modo che tutte le sonde aggiungano o rimuovano la carica contemporaneamente e l'interferenza venga eliminata. Tutti i sistemi multicanale Lion Precision sono sincronizzati, eliminando qualsiasi preoccupazione per questa fonte di errore.

Figura 11. Capacitivo non sincronizzato
i sensori interferiranno quando
utilizzato sullo stesso bersaglio.

Quando un'applicazione richiede l'uso di più sonde con un obiettivo comune, i sensori capacitivi sincronizzati sono facili da usare. Se l'applicazione richiede una tecnologia a correnti parassite, è necessario prestare particolare attenzione al piano di montaggio e potrebbe essere necessaria una calibrazione speciale.

sommario

Ci sono molti fattori da considerare nella scelta tra sensori di spostamento capacitivo e a correnti parassite. Qualsiasi applicazione che coinvolge contaminanti nell'area di misurazione come liquidi o materiali di scarto richiede il rilevamento di correnti parassite. I sensori capacitivi richiedono un ambiente pulito.

I piccoli target verranno misurati più facilmente con sensori capacitivi a causa delle dimensioni relativamente ridotte del campo di rilevamento capacitivo. Quando è necessario il rilevamento di correnti parassite, è possibile utilizzare una calibrazione speciale con target di piccole dimensioni.
Per la stessa sonda capacitiva o a correnti parassite, la sonda a correnti parassite avrà un intervallo di misurazione più ampio.

Poiché le sonde capacitive interagiscono con la superficie del bersaglio, lo spessore del materiale non è un fattore nelle misurazioni capacitive. I sensori a correnti parassite hanno requisiti minimi di spessore target.

I sensori capacitivi non hanno sensibilità al materiale target a condizione che sia conduttivo. I sensori a correnti parassite sono sensibili alle differenze di materiale e devono essere calibrati sul materiale target dell'applicazione.

Quando si utilizzano più sonde, i sensori capacitivi devono essere sincronizzati, ma possono essere montati vicini senza interferenze. Anche se sincronizzate, le sonde a correnti parassite interagiranno se montate vicine tra loro. Quando ciò è inevitabile, è possibile utilizzare una calibrazione speciale, ma è disponibile solo con sensori digitali come Lion Precision ECL202.

Il piccolo campo di rilevamento di una sonda capacitiva, che è diretto solo sul bersaglio, impedisce di rilevare l'hardware di montaggio o gli oggetti vicini. L'ampio campo di rilevamento circostante di Eddy-current può rilevare l'hardware di montaggio o altri oggetti se sono troppo vicini all'area di rilevamento.
Altre due specifiche differiscono tra le due tecnologie: risoluzione e larghezza di banda. I sensori capacitivi hanno risoluzioni più elevate rispetto ai sensori a correnti parassite che li rendono una scelta migliore per applicazioni precise ad alta risoluzione.

La maggior parte dei sensori capacitivi e a correnti parassite hanno larghezze di banda di 10-15kHz, ma alcuni sensori a correnti parassite (ECL101) hanno larghezze di banda fino a 80 kHz.

Un'altra differenza tra le tecnologie è il costo. In generale, i sensori a correnti parassite hanno un costo inferiore.

Questa revisione delle differenze tra le tecnologie di rilevamento capacitivo e a correnti parassite ti aiuterà a determinare quale tecnologia è la scelta migliore per la tua applicazione. per favore contattarci per ulteriore aiuto nella selezione del sensore migliore.

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