Porównanie czujników pojemnościowych i wiroprądowych

Bezstykowe czujniki wykorzystujące technologie pojemnościowe i wiroprądowe stanowią unikalne połączenie zalet i wad poszczególnych czujników. Połączenie mocnych stron obu technologii pomoże wybrać najlepsze rozwiązanie dla konkretnej aplikacji. 

Poniżej przedstawiono przegląd i porównanie czujników:

** najlepszy wybór

* wybór funkcjonalny

- brak opcji

Wybierając technologię pomiaru, należy rozważyć rozmiar obiektu wykrywanego. Obiekty
o mniejszych rozmiarach wymagają użycia czujnika pojemnościowego. Jeżeli mimo wszystko obiekt wykrywany jest mniejszy od plamki czujnika pojemnościowego, możliwe staje się wykonanie specjalnej kalibracji umożliwiającej kompensację ewentualnych błędów pomiaru.

Gdy prądy wirowe przeciwstawiają się polu wykrywania czujnika, impendancja cewki czujnika zmieni się. Wielkość zmiany impendancji zależy od odległości miedzy obiektem wykrywanym a cewką czujnika. Przepływ prądu w cewce, który jest zależny od impendancji, przetworzony zostaje na napięcie wyjściowe. Napięcie po odpowiedniej kalibracji staje się wskaźnikiem wartości odległości od obiektu mierzonego.

Czujniki wiroprądowe, do określenia odległości od wykrywanego obiektu, wykorzystują zmiany pola magnetycznego; natomiast czujniki pojemnościowe wykorzystują zmiany pojemności. Oprócz odległości od mierzonej powierzchni istnieją również inne czynniki wpływające na pole magnetyczne lub pojemność. Czynniki te reprezentują potencjalne źródła błędów pomiarów. Na szczęście w większości przypadków, źródła błędów są różne dla obu przedstawionych technologii. Zrozumienie obecności oraz wielkości źródeł błędów pomoże wybrać najlepszą technologię wykrywania dla danej aplikacji.

Pozostała część artykułu wyjaśnia źródła błędów, aby pomóc w dokonaniu najlepszego wyboru dla danego zastosowania z jednoczesnym uzyskaniem najlepszych możliwych wyników pomiarów.

Ze względu na wrażliwość na stałą dielektryczną materiału pomiędzy czujnikiem a obiektem mierzonym, czujniki pojemnościowe nie mogą być stosowane w zanieczyszczonym otoczeniu.

Czułość dielektryczną czujników pojemnościowych można wykorzystać do wykrywania grubości lub gęstości materiałów nieprzewodzących. Aby uzyskać więcej informacji na temat tego rodzaju aplikacji, proszę zapoznać się z artykułem dotyczącym czujników pojemnościowych.

W przeciwieństwie do czujników pojemnościowych, czujniki wiroprądowe do wykrywania obiektu wykorzystują pole magnetyczne. Na pole magnetyczne nie mają wpływu nieprzewodzące zanieczyszczenia, takie jak kurz, woda i olej. Gdy zanieczyszczenia te dostaną się do obszaru wykrywania między czujnikiem a obiektem nie ma to wpływu na wartość wyjściową czujnika.

Z tego powodu czujnik wiroprądowy jest najlepszym wyborem, gdy podczas pracy narażony jest na zanieczyszczone i wrogie środowisko. Czujniki wiroprądowe Lion Precision posiadają stopień ochrony IP67 i mogą być nawet całkowicie zanurzone w nieagresywnej cieczy.

Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe mają różne wymagania dotyczące docelowej grubości. Pole elektryczne czujnika pojemnościowego skupione jest tylko na powierzchni obiektu bez znaczącej penetracji w głąb materiału. Z tego powodu grubość obiektu nie ma wpływu na pracę czujników pojemnościowych.

Pole magnetyczne czujnika wiroprądowego musi przenikać przez powierzchnię obiektu, aby indukować prądy wirowe w materiale co jest podstawą ich działania. Jeśli materiał jest zbyt cienki, mniejsze prądy wirowe wytwarzają słabsze pole magnetyczne. Powoduje to zmniejszenie czułości czujnika i mniejszy stosunek sygnału do szumu.

Głębokość penetracji pola magnetycznego czujnika zależy od materiału i częstotliwości oscylującego pola magnetycznego czujnika. Czujniki wiroprądowe Lion Precision zwykle wykorzystują częstotliwość 1-2 MHz. Więcej na temat minimalnych grubości różnych materiałów można znaleźć w artykule na temat czujników wiroprądowych.

Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe reagują w inny sposób na różne materiały obiektów wykrywanych. Pole magnetyczne czujnika wiroprądowego penetruje materiał i indukuje prąd wirowy w materiale, który wytwarza pole magnetyczne przeciwne polu magnetycznemu elementu czujnikowego. Siła prądu wirowego i wynikowe pole magnetyczne zależą od przepuszczalności i rezystywności materiału. Właściwości te różnią się od siebie w zależności od rodzaju materiału. Można je zmienić za pomocą różnych technik przetwarzania takich jak obróbka cieplna lub wyżarzanie. Na przykład dwa identyczne kawałki aluminium, które zostały inaczej przetworzone, mogą mieć różne właściwości magnetyczne. Pomiędzy różnymi niemagnetycznymi materiałami, takimi jak aluminium i tytan, wariancja przepuszczalności
i rezystywności może być niewielka, ale wysokosprawny czujnik wiroprądowy skalibrowany dla jednego niemagnetycznego materiału nadal będzie powodował błędy pomiarowe, gdy zostanie użyty do pomiaru innego niemagnetycznego materiału.

Różnice pomiędzy materiałami niemagnetycznymi, takimi jak aluminium i tytan a materiałami magnetycznymi takimi jak żelazo lub stal są ogromne. Podczas gdy względna przepuszczalność aluminium i tytanu wynosi w przybliżeniu 1, względna przepuszczalność żelaza może wynosić nawet 10 000.

Czujniki wiroprądowe skalibrowane dla materiałów niemagnetycznych prawdopodobnie
w ogóle nie będą działać, gdy zostaną użyte z materiałami magnetycznymi. Podczas korzystania z czujników wiroprądowych do precyzyjnych pomiarów niezwykle ważne jest, aby czujnik był skalibrowany dla konkretnego materiału użytego w aplikacji.

Wysoka przepuszczalność materiałów magnetycznych, takich jak żelazo i stal, może również powodować małe błędy czujników wiroprądowych na tym samym kawałku materiału.
W każdym niedoskonałym materiale występują mikroskopijne pęknięcia i wtrącenia materiałowe. Przepuszczalność materiału zmienia się nieznacznie wokół tych obszarów. Chociaż zmiany są stosunkowo niewielkie, niezwykle wysoka przepuszczalność materiałów magnetycznych umożliwia czujnikom wiroprądowym o wysokiej rozdzielczości wykrycie tych zmian. Problem ten jest najbardziej widoczny w obracających się obiektach wykonanych
z materiałów magnetycznych.

Pole elektryczne czujnika pojemnościowego wykorzystuje obiekt jako ścieżkę przewodzącą do uziemienia. Wszystkie materiały przewodzące spełniają tą funkcję bez wyjątku, więc czujniki pojemnościowe mierzą obiekty przewodzące w ten sam sposób. Po skalibrowaniu czujnika pojemnościowego można go używać z dowolnym przewodzącym obiektem bez pogorszenia działania czujnika.

Ponieważ pole elektryczne czujnika pojemnościowego nie przenika przez materiał, zmiany
w materiale nie wpływają na wartość pomiaru. Czujniki pojemnościowe nie wykazują zjawiska bicia elektrycznego charakterystycznego dla czujników wiroprądowych. Mogą być więc stosowne z obracającymi się obiektami wykonanymi z dowolnego materiału przewodzącego
i nie są obarczone dodatkowym błędem. 

Czujniki wiroprądowe powinny być skalibrowane do tego samego materiału co wykrywany obiekt i nie powinny być używane w aplikacjach z obracającym się obiektem wykonanym
z materiału magnetycznego, chyba, że błędy bicia elektrycznego są dopuszczalne. Po skalibrowaniu, czujniki pojemnościowe mogą być używane z dowolnym materiałem przewodzącym bez błędów wynikających z rodzaju materiału lub ruchu obrotowego obiektu wykrywanego.

Z powodu różnic w technice wykrywania i związanych z tym różnic w elektronice sterownika, czujniki pojemnościowe i wiroprądowe pracują w różnych zakresach temperatur
i kompatybilności próżniowej.

Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe Lion Precision mają różne zakresy temperatur roboczych. Czujniki wiroprądowe, ze względu na swoją tolerancję na pracę w nieprzyjaznym środowisku, charakteryzują się możliwością bezbłędnej pracy w większym zakresie temperatur. Standardowe czujniki wiroprądowe wykorzystujące w swojej budowie przewody poliuretanowe charakteryzują się zakresem roboczym temperatur od -25 do +125°C. Czujniki wysokotemperaturowe, które wykorzystują przewody teflonowe, maja zakres roboczy temperatur od -25 do 200°C. Czujniki pojemnościowe, na które ma wpływ kondensacja, charakteryzują się zakresem roboczym temperatur od +4 do +50°C. Elektronika sterownika dla obu przypadków technologii wykrywania może pracować w zakresie od +4 do 50°C.

Czujniki pojemnościowe i wiroprądowe mogą być stosowane w aplikacjach wymagających próżni. Materiały w czujnikach dobierane są pod kątem stabilności strukturalnej i w celu zminimalizowania odgazowania pod wpływem próżni. Sondy kompatybilne z próżnią poddawane są dodatkowemu procesowi czyszczenia i specjalnemu zabudowaniu w celu usunięcia ciał obcych, które mogą zagrozić delikatnemu środowisku próżni.

Wiele zastosowań czujników w próżni wymaga precyzyjnej kontroli temperatury. Zużycie energii przez sensor i związany z nią wkład w zmianę temperatury próżni, różnią się między technologią wykrywania pojemnościowego i wiroprądowego. Sonda pojemnościowa charakteryzuje się wyjątkowo małym przepływem prądu i zużyciem energii. Typowy czujnik pojemnościowy zużywa mniej niż 40 µW mocy, wnosząc niewiele ciepła do komory próżniowej.

Pobór mocy przez czujnik wiroprądowy może wynosić od 40 µW do nawet 1 mW. Przy tych wyższych mocach sonda wiroprądowa wniesie więcej ciepła do komory próżniowej i może zakłócać środowisko o wysokiej precyzji próżni. Pobór mocy w sondzie wiroprądowej zależy od wielu czynników. Sama wielkość czujnika ma bardzo duży wpływ na zużycie energii. Zużycie energii każdego czujnika wiroprądowego należy oceniać indywidualnie.

Czujniki pojemnościowe lub wiroprądowe mogą dobrze działać w środowiskach próżniowych. W próżniach wrażliwych na temperaturę, czujniki wiroprądowe mogą dostarczyć zbyt dużo ciepła do aplikacji. W tych zastosowaniach lepszym wyborem będą czujniki pojemnościowe.

Przy wyborze czujników pojemnościowych i wiroprądowych należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Każde zastosowanie obejmujące możliwość występowania zanieczyszczeń obszaru pomiarowego, takie jak ciecze lub materiały odpadowe, wymaga zastosowania czujników wiroprądowych. Czujniki pojemnościowe, aby pracować poprawnie wymagają czystego środowiska.

Małe obiekty będą łatwiejsze do zmierzenia za pomocą czujników pojemnościowych ze względu na stosunkowo mały rozmiar obszaru wykrywania. Gdy wymagane jest zastosowanie technologii prądów wirowych, można przeprowadzić specjalną kalibrację dedykowaną do wykrywania małych obiektów.

W przypadku czujnika pojemnościowego lub wiroprądowego o tym samym rozmiarze, sensor wiroprądowy będzie charakteryzował się większym zakresem pomiarowym.

Ponieważ czujniki pojemnościowe oddziałują z powierzchnią obiektu wykrywanego, grubość materiału nie jest czynnikiem wpływającym na pomiar. Czujniki wiroprądowe mają wymagania dotyczące minimalnej grubości mierzonej powierzchni.

Czujniki pojemnościowe nie wykazują wrażliwości na materiał wykrywanego obiektu, pod warunkiem, że jest on przewodnikiem. Czujniki wiroprądowe są wrażliwe na różnice materiałowe i muszą zostać skalibrowane pod kątem docelowego materiału mierzonego
w danej aplikacji.

W aplikacjach z wykorzystaniem wielu czujników pojemnościowe, konieczna jest ich synchronizacja. Wówczas mogą być montowane blisko siebie i pracują bez wzajemnych zakłóceń. Czujniki wiroprądowe zamontowane blisko siebie, nawet po zsynchronizowaniu będą ze sobą oddziaływać. Jednakże, w sytuacji gdy jest taka konieczność, można zastosować specjalną ich kalibrację. Jest ona dostępna jedynie w przypadku czujników cyfrowych, takich jak Lion Precision ECL202.

Mały obszar wykrywania czujnika pojemnościowego, który jest skierowany w stronę wykrywanego obiektu, uniemożliwia jednoczesne wykrycie elementów montażowych lub pobliskich obiektów. Duży obszar wykrywania czujników wiroprądowych może powodować detekcję elementów montażowych lub innych obiektów znajdujących się blisko obszaru wykrywania.

Dwie inne cechy czujników różnią się w zależności od rodzaju technologii wykrywania: rozdzielczość i przepustowość. Czujniki pojemnościowe mają wyższe rozdzielczości niż czujniki wiroprądowe co czyni je lepszym wyborem dla aplikacji wymagających większych precyzji pomiaru.

Większość czujników pojemnościowych i wiroprądowych wykorzystuje pasma pomiarowe
w zakresie 10-15 kHz, lecz niektóre czujniki wiroprądowe (ECL101) charakteryzują się pasmami nawet do 80 kHz.

Kolejną różnicą pomiędzy technologiami wykrywania są koszty. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki wiroprądowe są tańsze.

Zaprezentowany przegląd różnic pomiędzy technologiami czujników pojemnościowych
i wiroprądowych może być pomocny aby określić, która technologia jest lepszym wyborem dla danej aplikacji.

*dokument opracowano na podstawie materiałów firmy Lion Precision – https://www.lionprecision.com/comparing-capacitive-and-eddy-current-sensors/