koszyk
Start
Baza wiedzy
Automatyka pomiarowa i inspekcyjna Podwójna technologia pomiaru grubości folii

Streszczenie

Technologia pojemnościowa może służyć do pomiaru grubości nieprzewodzących materiałów, takich jak papier lub tworzywo sztuczne. Proces ten jest skuteczny i prosty w przypadku dużych zmian grubości. Jeżeli grubość materiału jest rzędu mikrometrów, pomiar wymaga kontrolowania lub kompensowania źródeł błędów, które często występują w środowisku produkcyjnym. Istotny problem stanowi niska czułość czujnika pojemnościowego na zmiany grubości materiału i wysoka czułość na zmiany wielkości szczeliny między czujnikiem, a przewodzącą powierzchnią odniesienia. Zastosowanie podwójnej technologii pojemnościowej i wiroprądowej może złagodzić wpływ niektórych źródeł błędów. W celu uzyskania rozdzielczości rzędu mikrometrów w pomiarze grubości folii, wymagane są dodatkowe rozwiązania mechaniczne i obliczeniowe.

Podstawowy pomiar grubości folii za pomocą czujników pojemnościowych.

Pomiary materiałów nieprzewodzących

Czujniki pojemnościowe wykonują pomiary w oparciu o zmiany pojemności pomiędzy sensorem a uziemioną powierzchnią przewodzącą. Typowe czujniki oparte o technologię pojemnościową mierzą zmianę pojemności, gdy obiekt wykrywany zbliża się lub oddala od czoła czujnika. Pojemność zmienia się również poprzez zmianę stałej dielektrycznej materiału szczeliny, czyli obszaru pomiędzy sondą a uziemioną powierzchnią przewodzącą (rys. 1). Większość folii charakteryzuje się stałą dielektryczną znacznie wyższą niż powietrze; z tego powodu zmiany grubości folii między czujnikiem a przewodzącą powierzchnią odniesienia spowodują zmiany pojemności i tym samym zmiany napięcia wyjściowego czujnika. Aby uzyskać wiarygodne wyniki pomiarów, wielkość szczeliny pomiędzy czujnikiem a powierzchnią musi być utrzymana na stałym poziomie. Ze względu na to, że czułość czujnika pojemnościowego jest znacznie wyższa w przypadku zmian wielkości szczeliny niż grubości nieprzewodnika, niewielkie zmiany szczeliny spowodują więc duże błędy w pomiarze grubości folii.

Czułość pomiaru

Czujniki pojemnościowe z wyjściami liniowymi zapewniają również liniowość wyjść podczas pomiaru grubości folii, ale ze znacznie zmniejszoną czułością. Zmiana 1 V na wyjściu czujnika odpowiadająca zmianie położenia przewodzącego obiektu wykrywanego rzędu kilku mikrometrów, dla nieprzewodnika będzie rzędu jedynie kilku miliwoltów. Jednym z czynników determinujących wrażliwość czujnika na grubość powłoki jest stała dielektryczna materiału (Ɛ). Czułość jest wyższa przy wyższych stałych dielektrycznych. W poniższej tabeli przedstawiono stałe dielektryczne niektórych popularnych materiałów:

Materiał

Stała dielektryczna (Ɛ)

Powietrze

1

Mylar

3.1

Neopren

6.7

Polietylen

2.25

Teflon

2.1

 

Rys. 1. Obiekty nieprzewodzące można zmierzyć przepuszczając przez nie pole elektryczne od czoła czujnika do stacjonarnej, przewodzącej powierzchni odniesienia
Rys. 2. Zależność pomiędzy czułością na zmiany grubości foli a zakresem pomiarowym czujnika pojemnościowego

Innym, ważnym parametrem czujnika, wrażliwym na zmiany grubości folii jest zakres pomiarowy. Czułość czujnika pojemnościowego na zmiany grubości folii jest odwrotnie proporcjonalna do zakresu czujnika. Wyższa czułość na zmianę grubości folii wymaga czujnika o mniejszym zakresie pomiarowym oraz zamontowanego bliżej mierzonego materiału. Wykres na rysunku 2 przedstawia typową zależność pomiędzy zakresem pomiarowym czujnika pojemnościowego a czułością na zmiany grubości foli dla dwóch różnych stałych dielektrycznych.

Kalibracja czułości czujnika w zależności od zmian grubości folii

Czujniki pojemnościowe są na ogół kalibrowane pod kątem zmian położenia obiektu przewodzącego w stosunku do czoła czujnika. Określenie czułości czujnika pojemnościowego na zmiany grubości folii wymaga dwóch kawałków folii o znanej grubości. Każdy kawałek umieszczany jest w szczelinie między czujnikiem a przewodzącą powierzchnią odniesienia i mierzony. Różnica pomiędzy dwiema znanymi grubościami foli a odpowiadającymi im pomiarami stanowi czułość układu. Ponieważ wielkości otrzymywane na wyjściu z czujnika są liniowe w stosunku do grubości mierzonej folii, wyznaczona czułość jest tożsama dla wszystkich pomiarów wykonanych w zakresie danego czujnika pojemnościowego.

Źródła błędów w środowisku produkcyjnym

Rys. 3. Nieidealne rolki umieszczone w niedoskonałych łożyskach stanowią wspólnie, znaczące źródło błędów pomiaru folii za pomocą czujnika pojemnościowego

Metalowe rolki

Większość pomiarów grubości folii przeprowadzana jest w trakcie procesu produkcyjnego, gdy folia przechodzi przez metalowy wałek. Rolka zapewnia wymaganą powierzchnię odniesienia dla czujnika pojemnościowego, jednakże jej niedoskonały kształt i obrót wykonywany w nieidealnych łożyskach powoduje, że rolka wykonuje ruch również w przestrzeni pomiarowej czujnika przybliżając się lub oddalając do/od jego czoła (rys. 3).

Rys. 4. Nieidealna mechanika układu skanowania jest również źródłem błędów dla czujnika pojemnościowego

Skanowanie

Wiele aplikacji wymaga skanowania grubości folii wzdłuż wybranego profilu. Zwykle osiąga się to poprzez przesuwanie czujnika w poprzek wstęgi, równolegle do rolki. Mechanika systemu skanowania jest również niedoskonała i powoduje niekorzystną zmianę wielkości szczeliny czujnika podczas skanowania (rys. 4). Ze względu na to, że czujnik pojemnościowy jest znacznie bardziej wrażliwy na ruch wykonywany przez obiekt przewodzący, ewentualne zmiany grubości folii w tym przypadku nie zostaną wykryte.

Czujniki wiroprądowe jako rozwiązanie problemu pomiaru grubości folii na obracającej się rolce

Czujnik wiroprądowy nie wykrywa folii ani żadnego innego nieprzewodzącego materiału.  Jednakże czujnik wiroprądowy może być używany do monitorowania zmian wielkości szczeliny pomiędzy czołem czujnika pojemnościowego a przewodzącą powierzchnią odniesienia. Zmiany wielkości szczeliny mierzone przez czujnik wiroprądowy należy odjąć od rezultatu podanego przez czujnik pojemnościowy. Ostatecznym wynikiem jest grubość mierzonej folii (rys. 5).

Rys. 5. Pomiar różnicowy wykonany za pomocą czujnika pojemnościowego i wiroprądowego niweluje błędy związane z zmianą wielkości szczeliny

Niedoskonałość czujników

Gdyby czujniki pojemnościowe i wiroprądowe były idealne, wówczas najlepszym rozwiązaniem, upraszczającym proces pomiaru grubości folii, byłoby wykorzystanie obu wymienionych technologii. Ze względu na niską czułość czujnika pojemnościowego na zmiany grubości materiału nieprzewodzącego, małe błędy (zwykle nieistotne podczas pomiaru czujnikiem pojemnościowym i wiroprądowym) stają się istotne w pomiarze grubości folii. Aby zastosować rozwiązanie wykorzystujące obie technologie do pomiaru grubości, należy kontrolować źródła błędów charakterystyczne dla czujnika pojemnościowego i wiroprądowego na poziomie mniejszym niż wymagana minimalna rozdzielczość pomiaru. Jeżeli w aplikacji wymagany jest pomiar zmiany grubości z rozdzielczością 2 µm, która odpowiada zmianie napięcia na wyjściu czujnika równej 10 mV, wówczas źródła błędów wprowadzane do pomiaru muszą być znacznie mniejsze niż 10 mV. Istnieje kilka wspólnych źródeł błędów dla obu technologii wykrywania bezdotykowego, które istotnie wpływają na wynik pomiaru. Każdy z nich został omówiony poniżej.   

Źródła błędów czujników

Źródła błędów czujników mogą być większe niż ich czułość na zmiany grubości folii. W przypadku korzystania z podwójnej technologii pomiaru, sumaryczne błędy mogą podwajać swoje wartości, jeżeli ich znak dla czujników pojemnościowych i wiroprądowych jest przeciwny.

Błąd liniowości

Wszystkie czujniki pomiaru przemieszczenia wykazują błąd liniowości. Błędy liniowości występują, gdy w zakresie pomiarowym czujnika czułość pomiędzy punktami pomiarowymi nie jest stała. W typowej specyfikacji czujników pojemnościowych i wiroprądowych błąd liniowości wynosi ±0,2% pełnego zakresu pomiarowego. W najgorszym przypadku czujniki pojemnościowe i wiroprądowe wykazałyby błędy liniowości rzędu 0,2% zakresu pomiarowego rozmieszczone po obu stronach idealnej krzywej przetwarzania. Spowodowałoby to łączny błąd liniowości wynoszący 0,4% pełnego zakresu pomiarowego. Dla wyjścia napięciowego 0-10 V czujnika, wartość błędu odpowiadałaby 40 mV. Nawiązując do wykresów przedstawionych w tym artykule dla kalibracji odpowiadającej najwyższej czułości błąd na poziomie 40 mV jest równoważny wartości 5 µm i 20 µm dla kalibracji odpowiadającej najniższej czułości. Ze względu na poziom błędów przedstawiony system pomiarowy nie jest w stanie dokonać wiarygodnego pomiaru zmian grubości folii rzędu 1 lub 2 µm. Zrozumienie zasady działania systemu pozwoli na zmniejszenie wartości błędów pomiaru.

Dryft temperaturowy

Wszystkie czujniki pomiaru przemieszczenia wykazują dryft temperaturowy. Zmiany temperatury powodują zmiany mechaniczne w strukturze sondy oraz dryft elektryczny w niektórych elementach elektronicznych. Zazwyczaj zmiany te są dość małe, ale przy niskiej czułości związanej z pomiarem grubości folii ostatecznie są znaczące. Dryft temperaturowy to przede wszystkim przesunięcie prądu stałego na wyjściu. Czułość (wzmocnienie) może zostać zmieniona, jednakże efekt ten jest mniejszy niż przesunięcie prądu stałego DC. W typowej specyfikacji czujników pojemnościowych i wiroprądowych wartość dryftu temperaturowego wynosi ±0,04% pełnego zakresu pomiarowego/°C. Przy zastosowaniu dwóch czujników możliwe jest, że odpowiednio ich przesunięcia temperaturowe przybiorą przeciwne oznaczenia, co podwoi potencjalny błąd do wartości odpowiadającej 0,08% pełnego zakresu pomiarowego/°C. Przy zmianie temperatury o 3°C napięcie wyjściowe może zmienić się o 24 mV; odpowiada to wartości 3 µm dla kalibracji odpowiadającej najwyższej czułości
i ponad 10 µm dla kalibracji odpowiadającej najniższej czułości czujnika.   

Mastering w celu zmniejszenia błędów pomiaru

Większość błędów powstających podczas pomiaru grubości folii za pomocą dwóch technologii wynika z różnic w ich wartościach pomiędzy czujnikami pojemnościowymi i wiroprądowymi. Jeżeli błędy sensorów odpowiadałyby sobie, mogłyby zostać zredukowane prawie do zera za pomocą operacji matematycznych. Można to osiągnąć poprzez proces zwany „masteringiem”. Mastering obejmuje okazjonalne sprawdzanie i kompensację błędów czujnika podczas pracy. Można to zrobić ręcznie, ale zwykle jest to zautomatyzowana część systemu sterowanego komputerowo.  

Mastering w celu zmniejszenia błędów liniowości

Zmniejszenie błędów liniowości (lub innych błędów związanych z czułością) polega na przesunięciu czujników poza folię (tak, by nie miała ona wpływu na proces kalibracji) i skalibrowaniu ich na podstawie zmiany odstępu pomiędzy rolką a czujnikiem. Efekt ten można osiągnąć za pomocą mechanizmu, który umożliwia ruch czujników lub obiektu wykrywanego w górę i w dół, ustawiając czujniki lub obiekt na kilka ustalonych pozycji. Dane zbierane są z każdego czujnika dla różnych kalibrowanych odstępów. Za pomocą tabel lub obliczania wielomianów oba czujniki są kalibrowane matematycznie, aby móc uzyskać identyczne wyniki dla różnych ustawień pozycji. Ponieważ liniowość i czułość nie są tak podatne na zmiany, proces masteringu nie musi być częsty.

Mastering w celu zmniejszenia błędów dryftu temperaturowego

Zmniejszenie błędów wynikających z dryftu temperaturowego wymaga przesunięcia czujników poza folię, aby umożliwić tym samym pomiar wałka bez udziału folii. W kolejnym etapie wyjścia czujników są matematycznie zerowane a pomiar wznawiany. Jeśli wystąpi dryft temperaturowy jest on usuwany poprzez zresetowanie obu czujników do wartości zerowej po uprzednim przesunięciu czujników poza folię. Częstotliwość wykonywania tej operacji uzależniona jest od temperatury środowiska oraz stabilności temperaturowej czujników. Częste i/lub duże zmiany temperatury będą wymagały częstszego masteringu.

Zaburzenia elektryczne czujnika

Wszystkie urządzenia elektroniczne (w tym czujniki) wytwarzają niewielką ilość szumu elektrycznego na wyjściu. Podobnie jak w przypadku innych źródeł błędów, szum ten jest dość mały, ale może stać się znaczący podczas pomiaru niewielkich zmian (rzędu mikrometrów) grubości folii. Szum elektryczny rozłożony jest na szerokie pasmo częstotliwości. Z tego powodu filtr dolnoprzepustowy lub czujnik o niskiej przepustowości może usunąć część szumu, a tym samym zmniejszyć źródło błędów wynikających z zaburzeń elektrycznych. Rzeczywiste wartości rozdzielczości zależą od określonych czujników i sposobu przeprowadzonej kalibracji, a typowe wartości szumu elektrycznego dla czujnika pojemnościowego wynoszą 0,004% pełnego zakresu pomiarowego przy szerokości pasma 15 kHz, natomiast 0,002% przy paśmie 100 Hz. Przy wyjściu 0-10 V odpowiada to 0,2 mV. Czujniki wiroprądowe charakteryzują się szumem elektrycznym rzędu 0,008% pełnego zakresu pomiarowego przy paśmie 15 kHz i 0,004% przy 100 Hz. Przy wyjściu 0-10 V odpowiada to 0,4 mV.

Obszar wykrywania czujnika

Zastosowanie sąsiednio zamontowanych czujników pojemnościowych i wiroprądowych jest skuteczne, jednakże różnice w ich lokalizacji mogą być kolejnym źródłem błędów systemu. Zmiany wielkości szczeliny pomiędzy czujnikiem pojemnościowym a obiektem wykrywanym będą inne niż zmiany wielkości szczeliny pomiędzy tym samym obiektem a czujnikiem wiroprądowym. Jeżeli pomiar wymaga rozdzielczości rzędu mikrometrów, błąd ten może być zbyt duży. Idealne warunki przy zastosowaniu podwójnego systemu pomiaru grubości folii wymagają, aby czujniki pojemnościowe i wiroprądowe mierzyły to samo miejsce na powierzchni obiektu, co wymaga, aby czujniki były umieszczone koncentrycznie. Jest to możliwe dzięki specjalnie zaprojektowanej sondzie, wykorzystującej podwójną technologię pomiaru.

Wartość błędu względnego

Poniższe wykresy przedstawiają zmianę napięcia na wyjściu czujnika dla zmiany grubości folii rzędu 1 µm oraz najgorsze przypadki błędów pomiaru powstałych bez zastosowania procesu ich redukcji.

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Wydarzenia w ITA

W najbliższym czasie nie planujemy żadnych wydarzeń, ale możesz zapisać się do naszego newslettera, a my poinformujemy Cię o nadchodzących wydarzeniach.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k.
ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań
fax: +48612225801

Obserwuj nas

created by: montownia.com