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Überlegungen zur Auswahl des kapazitiven Wegsensors

Auswahl des kapazitiven Wegsensors

Bei der Auswahl eines berührungslosen kapazitiven Wegsensors müssen eine Reihe von Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden, einschließlich Zielgröße und -form, Schutzmethode und Bandbreite. Neben sauberen Umgebungen können die Sensoren auch in schmutzigen, staubigen Industriebereichen eingesetzt werden, sagt Chris Jones von Micro-Epsilon.

Das kapazitive Messprinzip ist eine der traditionellen Methoden zur Distanz-, Weg- und Positionsmessung. Als eine der zuverlässigsten und wärmebeständigsten der berührungslosen Wegmessmethoden gelten kapazitive Sensoren mit Auflösungen von deutlich unter einem Nanometer.

Im Gegensatz zu vielen Ingenieuren sind berührungslose kapazitive Wegsensoren nicht nur für den Einsatz in sauberen Umgebungen wie Labors, Reinräumen und Operationssälen geeignet.

Die neuesten Sensoren sind auch für den Betrieb in schmutzigen, staubigen Industrieumgebungen ausgelegt. Darüber hinaus stehen modular aufgebaute Sensoren mit Gewindekörpern zur Verfügung, die die Montage der Sensoren in Industrie- oder Prozessfertigungsumgebungen vereinfachen.

Unübertroffene Präzision

Kapazitive Sensoren arbeiten berührungslos und verschleißfrei. In der Praxis erzielen kapazitive Wegsensoren hervorragende Ergebnisse in Bezug auf Linearität, Reproduzierbarkeit und Auflösung. Während in typischen industriellen Umgebungen Submikrometerpräzision erreicht wird, sind hochpräzise Sub-Nanometer-Messungen in sauberen Umgebungen möglich, in denen kein Schmutz, Staub, Öl oder Feuchtigkeit vorhanden sind.

Kapazitive Messsysteme eignen sich auch zur Detektion von sich schnell bewegenden Objekten und dynamischen Hochgeschwindigkeitsprozessen und ermöglichen so schnelle und zuverlässige Messungen von Bewegungsabläufen. Kapazitive Sensoren sind auch für den Einsatz in Vakuum- und Ultrahochvakuum-Anwendungen geeignet.

Messprinzip

Berührungslose kapazitive Sensoren arbeiten durch Messen von Änderungen der elektrischen Kapazität. Die Kapazität beschreibt, wie zwei leitfähige Objekte mit einem Abstand zwischen ihnen auf eine an ihnen anliegende Spannungsdifferenz reagieren. Wenn eine Spannung an die Leiter angelegt wird, wird ein elektrisches Feld zwischen ihnen erzeugt, das bewirkt, dass positive und negative Ladungen auf jedem Objekt gesammelt werden.

Kapazitive Sensoren verwenden eine Wechselspannung, die dazu führt, dass die Ladungen ihre Positionen ständig umkehren. Dies erzeugt einen elektrischen Wechselstrom, der vom Sensor erfasst wird. Die Kapazität ist direkt proportional zu der Oberfläche der Objekte und der Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen ihnen und umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen ihnen.

Das Prinzip der kapazitiven Wegmessung basiert darauf, wie ein idealer Plattenkondensator arbeitet. Die Abstandsverschiebung der Platten (Sensor und Messobjekt) führt zu einer Änderung der Gesamtkapazität.

Wenn ein Wechselstrom konstanter Frequenz und konstanter Amplitude durch den Sensorkondensator fließt, ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional zum Abstand zum Target (Masseelektrode). Die Abstandsänderung zwischen dem Messobjekt und der Steuerung wird vom Regler über verschiedene Ausgänge erfasst, verarbeitet und als Messwert ausgegeben.

Um jedoch stabile Messungen zu gewährleisten, ist eine kontinuierliche Dielektrizitätskonstante zwischen Sensor und Target erforderlich, da das System nicht nur vom Abstand zwischen den Elektroden abhängt, sondern auch auf dielektrische Veränderungen im Messspalt reagiert. Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit (dh im Nanometerbereich) zu erreichen, sollte die Umgebung relativ sauber und trocken sein.

Die Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Dielektrizitätskonstante zwischen Sensor und Target ist der wichtigste Faktor für stabile Messungen. Die Betriebsumgebung muss daher relativ sauber und trocken sein. Zum Beispiel kann Öl oder Feuchtigkeit im Luftspalt die Messleistung beeinträchtigen, indem eine Sensordrift und Änderungen im Ausgangssignal verursacht werden.

Jedoch ist etwas Staub oder Schmutz in dem Luftspalt akzeptabel, da die Sensoren typischerweise mit solchen hohen Auflösungen arbeiten, dass die Auswirkungen einiger Staubpartikel ziemlich niedrig sind.

Materialtypen

Als elektromagnetischer Prozess misst ein kapazitives Messsystem standardmäßig elektrisch leitfähige Objekte mit konstanter Empfindlichkeit und Linearität. Das System wertet die Reaktanz des Plattenkondensators aus, die sich proportional zur Entfernung ändert.

Da die optischen Eigenschaften des Targets keine Interferenzen verursachen, können selbst transparente oder reflektierende Oberflächen mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Beispiele für leitfähige Messobjekte sind Metalle, Silizium, Graphit und Wasser.

Kapazitive Sensoren können auch isolierende Materialien wie Kunststoffe, Keramik, Glas, Öle und Klebstoffe messen. Hier wirkt die Sensorerdung als Masseelektrode und das Isoliermaterial als Koppelmedium.

Ein nahezu lineares Ausgangssignal für Isolatoren wird auch durch spezielle elektronische Schaltungen erreicht. Kapazitive Wegsensoren werden typischerweise an Metallen verwendet, aber Rat und Anleitung sollten beim Messen von Isolatoren vom Sensorlieferanten eingeholt werden.

Aktive Bewachung

Bei den meisten kapazitiven Sensoranwendungen ist der Sensor eines der leitenden Objekte und das Zielobjekt ist das andere. Für genaue Messungen muss das elektrische Feld aus dem Erfassungsbereich in dem Raum zwischen dem Sensor und dem Ziel enthalten sein.

Wenn das Feld sich auf andere Objekte oder Bereiche auf dem Ziel ausbreiten darf, wird eine Änderung der Position des anderen Objekts als Änderung der Position des Ziels gemessen. Guarding wird daher verwendet, um dies zu verhindern.

Die meisten Sensorhersteller verwenden ein Schutzringprinzip, obwohl einige Lieferanten wie Micro-Epsilon ein Schutzringprinzip in Kombination mit einem speziellen Triaxialkabel (Doppelschutz) anbieten. Extrem kleine Messabstände bewirken eine ebenso geringe Signaländerung.

Dies bedeutet, dass sich zwischen Sensor und Regler nur wenige Elektronen für eine angezeigte Abstandsänderung befinden. Wenn jetzt auch nur sehr geringe Leckströme (parasitäre Ströme) auf dem Weg vom Sensor zum Regler fließen, ist die Abstandsmessung nicht mehr genau. Daher werden sehr komplexe Triaxialkabel benötigt.

Die von Micro-Epsilon verwendeten HF-Kabel bieten hervorragende Abschirmeigenschaften und schützen das Feld aktiv, um eine gleichbleibend hohe Signalqualität bei geringem Rauschen sicherzustellen. Micro-Epsilon hat auch andere, einzigartige Kabel entwickelt, die Kabellängen von bis zu acht Metern ermöglichen, ohne einen zusätzlichen Vorverstärker verwenden zu müssen, der gleichzeitig die volle Austauschbarkeit zwischen Sensor, Controller und Kabel ermöglicht.

Während die bisherigen dreikanaligen, gasoptimierten und sauerstofffreien (CCx) Kabel für unterschiedliche Anwendungen von sehr niedrigen Temperaturen bis hin zu Labors und der Halbleiterproduktion geeignet sind, wurden diese neuen (CCg) Kabel speziell für industrielle Umgebungen entwickelt, in denen große Kabellängen vorteilhaft sind .

Hohe Stabilität

Da thermisch induzierte Leitfähigkeitsänderungen des Messobjektes keinen Einfluss auf Messungen haben, ist das kapazitive Prinzip auch bei Temperaturschwankungen zuverlässig. Die Langzeitstabilität garantiert nicht nur Temperaturstabilität, sondern auch einen langjährigen zuverlässigen Betrieb, ohne dass Teile oder Komponenten ausgetauscht werden müssen.

Kalibrierung

In einer experimentellen Umgebung, in der der Messbereich typischerweise von Test zu Test variiert, benötigt der Benutzer ein kapazitives Messsystem, das dies ermöglicht. Ein System, das jedes Mal neu kalibriert werden muss, wenn ein anderer Messbereich benötigt wird, wäre kostspielig und zeitaufwendig.

Daher ist es wichtig, einen Sensorlieferanten auszuwählen, der ein System anbieten kann, bei dem verschiedene kapazitive Sensoren ausgetauscht werden können, ohne dass der Sensor jedes Mal zur Rekalibrierung an das Werk des Herstellers zurückgeschickt werden muss.

Stromschlag und Bandbreite

Der elektrische Schlag tritt bei rotierenden eisenhaltigen Targets auf. Es zeigt sich als ein sehr wiederholbarer Fehler einmal pro Umdrehung an der Systemausgabe und wird durch kleine Variationen in der Permeabilität und Leitfähigkeit entlang des Umfangs von beispielsweise einer rotierenden Welle verursacht. Während Wirbelstrom-Wegsensoren durch elektrischen Schlag betroffen sind, sind kapazitive Sensoren von diesem Problem völlig unbeeinflusst.

Da sie auf einer analogen Schaltung basieren, messen kapazitive Sensoren eher eine Messfrequenz oder -bandbreite als eine Messrate. Das heißt, sie eignen sich zur Messung von Schwingungen, Amplituden, Schwingungen und Wellenunwucht. Einige Anbieter bieten kapazitive Sensoren mit einer Bandbreite von bis zu 20kHz (-3dB) an, was sie ideal für Hochgeschwindigkeitsmessungen an rotierenden Wellen macht.

Zielgröße und Form

Die Zielgröße ist ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl eines Sensors für eine bestimmte Anwendung. Je weiter der Sensor vom Ziel entfernt ist, desto größer ist die minimale Zielgröße. Wenn der Zielbereich zu klein ist, neigt das elektrische Feld dazu, sich um die Seiten des Ziels zu wickeln, was dazu führt, dass sich das elektrische Feld weiter ausdehnt als während der Werkskalibrierung und das Ziel weiter entfernt gemessen wird.

Im Allgemeinen erfordern kapazitive Sensoren ein Zielgrößenverhältnis von 1: 1 mit der Größe der Messelektrode. Kleinere oder engere Ziele können gemessen werden, erfordern jedoch eine spezielle Anpassung vom Lieferanten.

Die Form des Ziels ist ebenfalls wichtig. Da die meisten Sensoren auf ein flaches Ziel kalibriert sind, führt das Messen eines Ziels mit einer gekrümmten Oberfläche zu Fehlern. Da der Sensor die durchschnittliche Entfernung zum Ziel misst, unterscheidet sich die Lücke bei Null Volt von der Kalibrierung des Sensors.

Das elektrische Feld verhält sich auf einer gekrümmten Oberfläche im Vergleich zu einer flachen Oberfläche unterschiedlich. Wenn eine gekrümmte oder nicht ebene Oberfläche gemessen werden muss, kann das Messsystem werksseitig auf die endgültige Zielform kalibriert werden. Es wird jedoch empfohlen, dass der Sensorlieferant Ratschläge einholt, da einige Anpassungen erforderlich sind.

Prozessindustrie Informer

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