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104 Sensoren Induktive Näherungssensoren Grundlagen Induktive Näherungssensoren Mit dem induktiven Näherungssensor können metallische Objekte erkannt werden. Der Sensor baut hierzu ein elektromagnetisches Feld auf. Da sie Objekte über kurze Entfernungen erfassen können, eignen sich induktive Näherungssensoren hervorragend für Messungen und Prüfungen hoher Genauigkeit. Stärken & Schwächen Stärken • Unempfindlich gegen Umweltbedingungen. • Hohe Schaltfrequenzen für schnelle Vorgänge. • Erkennung metallischer Zielobjekte durch nichtmetallische Hindernisse hindurch. • Hohe Lebensdauer mit praktisch unbegrenzten Schaltspielen. • Prellfreie Schaltausgänge; z. B. zur SPS-Steuerung. Schwächen • Begrenzter Erfassungsbereich (maximal 25 mm, bei E56-Serie auch bis 100 mm). • Erkennt nur metallische Objekte. • Beeinträchtigung durch Metallspäne auf Sensorfläche möglich. Anwendungsbereiche Näherungssensoren werden in zahlreichen Anwendungsbereichen eingesetzt. So zum Beispiel, • um das Verfahrwegende eines Positioniertisches zu erkennen, • um eine Drehzahl durch Zählen der Zähne eines Zahnrads zu bestimmen oder • um zu prüfen, ob ein Ventil vollständig geöffnet oder geschlossen ist. Mit Näherungssensoren kann festgestellt werden, ob sich metallische Werkstücke oder Werkstückträger auf Transportbändern befinden. Induktive Sensoren können bei der Steuerung von Roboterarmen eingesetzt werden. Sie können z. B. sicherstellen, dass Objekte tatsächlich richtig gegriffen werden. Bei der Metallbearbeitung können Näherungssensoren sicherstellen, dass das Werkstück richtig eingespannt und z. B. der Bohrer nicht abgebrochen ist. Aufbau Betrachten wir nun schrittweise die Komponenten und den Prozess: Komponenten Ein Metallgegenstand (Zielobjekt) wird in das Messfeld gebracht. Die Sensorspule ist eine Drahtspule, die typischerweise um einen Ferritkern gewickelt ist. Diese Spule erzeugt ein kegelförmiges elektromagnetisches Feld. Das Zielobjekt bewegt sich durch dieses Feld. Der Ferritkern bestimmt die Form des Feldes und die Größe der Spule bestimmt den Erfassungsbereich. Der Oszillatorschaltkreis lässt das Feld mit einer bestimmten Hochfrequenz schwingen (100 kHz bis 1 MHz). In das Feld eingebrachtes Metall verändert die Schwingung. Am Zielobjekt bilden sich Wirbelströme, die dem Feld Energie entziehen. Das metallische Objekt bewirkt eine Veränderung des Magnetfeldes. Diese Veränderung dämpft das Signal zur Sensorspule. Die Amplitude wird reduziert. Der Detektorschaltkreis erkennt die Änderung und schaltet bei einem bestimmten Sollwert. Dieses Signal wiederum erzeugt eine Änderung am Schaltausgang. Der Ausgang bleibt aktiv, bis das Zielobjekt das Messfeld verlässt. Der Oszillator antwortet mit einer Erhöhung der Amplitude, und bei Erreichen des Sollwerts schaltet der Detektorschaltkreis um. Der Ausgang kehrt dann zu seinem Normalzustand zurück. Hysterese Die Hysterese ist ein festgelegter Abstand zwischen den Ein- und Ausschaltpunkten. Ohne eingebaute Hysterese würde der Ausgang in der Nähe des Schaltpunktes dauernd einund ausschalten. 1 2 3 4 Hysterese a Bewegungsrichtung b Hysterese c Einschaltpunkt d Ausschaltpunkt Bei einer Hysterese liegen Ein- und Ausschaltpunkt in unterschiedlichen Entfernungen von der Sensorfläche. Näherungssensortypen Näherungssensoren sind in zahlreichen verschiedenen Bauformen lieferbar und können die Anforderungen fast aller industriellen Anwendungen erfüllen. • Zylinderförmig Dies ist die bevorzugte Bauform für eine wachsende Zahl von Anwendungen. Die geringe Größe gestattet einen einfachen Einbau in einer Befestigung oder den Einsatz auf beschränktem Raum, wie er in zahlreichen Fertigungsstraßen vorgefunden wird. • Zylinderförmig 90° abgewinkelt Diese Bauform ermöglicht den Einbau an engen Stellen. • Kunststoffgehäuse Beeinflussung induktiver Näherungssensoren Für den Einsatz induktiver Näherungssensoren ist es wichtig, den Erfassungsbereich und die den Erfassungsbereich beeinflussenden Faktoren zu verstehen. Der Erfassungsbereich ist der Abstand zwischen der Sensorfläche und dem Zielobjekt. Hierzu gehört auch die Form des durch Spule/Kern erzeugten Erfassungsfeldes. Bei Auswahl und Einsatz von Näherungsinitiatoren sind vier Punkte besonders wichtig: • Zielobjekt (Werkstoff, Baugröße, Form und Annäherung) • Spulengröße und Abschirmung • Anforderungen an die Sensorbefestigung • Umgebung Werkstoff des Zielobjekts Der Werkstoff des Zielobjekts hat Einfluss auf den maximalen Erfassungsabstand. Wird dieser maximale Abstand überschritten, wird die zum Schalten des Sensorausgangs benötigte Dämpfungswirkung nicht erzeugt und der Sensor erkennt das Zielobjekt nicht. Näherungssensoren funktionieren am besten mit Eisenlegierungen. Diese Sensoren erkennen zwar auch andere Metalle, der Erfassungsbereich ist dann aber kleiner. Allgemein gilt, dass sich die zur Erkennung erforderliche Entfernung zwischen Sensor und Zielobjekt bei fallendem Eisenanteil verringert. Hersteller von Sensoren liefern im Allgemeinen Diagramme, die die für ihre Sensoren erforderlichen Korrekturfaktoren bei verschiedenen Metallarten aufzeigen. Für jeden Sensortyp gibt es einen Korrekturfaktor, mit dem die Berechnungen für einen bestimmten Zielwerkstoff durchgeführt werden können. Korrekturfaktoren Multiplizieren Sie die Erfassungsreichweite mit dem nachstehenden Faktor. Zielobjekt Sensorgröße 4 – 8 mm 12 mm 18 mm 30 mm Limit Switch Style Stainless 0.90 0.90 1.0 1.0 1.0 Steel 400 1) Stainless 0.65 0.70 0.70 0.75 0.85 Steel 300 2) Messing 0.35 0.45 0.45 0.45 0.5 Aluminium 0.35 0.40 0.45 0.40 0.47 Kupfer 0.30 0.25 0.35 0.30 0.40 Funktionsweise des induktiven Näherungssensors Induktive Näherungssensoren erzeugen ein elektromagnetisches Feld im Hochfrequenzbereich (HF). Wird ein Metallobjekt in die Nähe der Sensorfläche gebracht, verändert sich dieses Feld. Der Detektorschaltkreis erkennt diese Änderung und der Sensor schaltet dann einen Ausgang zu einem angeschlossenen Gerät. Jeder Sensor hat einen spezifischen Schaltabstand, sodass metallische Objekte hochpräzise und wiederholbar erkannt werden. Diese korrosionsbeständige Einheit leistet hervorragende Dienste in häufig gereinigten Bereichen oder an Stellen, an denen ätzende Chemikalien vorherrschen. • Scheibenförmig Die extragroße Spule dieser Einheit erreicht den breitesten und höchsten verfügbaren Erfassungsbereich von 100 mm. Ideal für die Anwendung der Schwerindustrie und beim Zusammenbau großer Teile. 1) Rostfreier Stahl Serie 400 nach ASTM A240, martensitisch oder ferritisch, magnetisierbar. 2) Rostfreier Stahl Serie 300 nach ASTM A240, austenitisch, nicht magnetisierbar. Das Verzeichnis der rostfreien Stähle finden Sie in der EN 10088-1. Zielgröße Der Erfassungsbereich wird kleiner, wenn das Zielobjekt nicht die „Standardzielgröße” des Sensors erreicht. Kleinere Zielobjekte erzeugen schwächere Wirbelströme. Ein größeres Zielobjekt bedeutet dagegen keinen größeren Erfassungsbereich. CA053003DE-INT www.eaton.eu
Grundlagen Sensoren 105 Induktive Näherungssensoren Die Dicke des Zielobjekts hat keinen großen Einfluss auf den Erfassungsbereich. Mit einem sehr dünnen nichteisenhaltigen Zielobjekt kann man allerdings wirklich einen größeren Erfassungsbereich erzielen, da hierbei auf beiden Seiten Wirbelströme erzeugt werden. Wie groß soll also ein Zielobjekt sein? Als Faustregel gilt: Sensordurchmesser oder dreifacher Sensor-Erfassungsbereich (der jeweils größere Wert). Form des Zielobjekts Die Form des Zielobjekts kann sich auf den Erfassungsbereich auswirken. Ein rundes Objekt oder ein Objekt mit einer rauen Oberfläche kann die Bedämpfungswirkung auf den Sensor beeinträchtigen und dadurch einen geringeren Erfassungsabstand erforderlich machen. Die Verwendung eines größeren Sensors oder eines Sensors mit einem größeren Erfassungsbereich minimiert diesen Effekt ebenfalls. Annäherung des Zielobjekts Die Art, wie sich das Zielobjekt dem Sensor nähert, spielt ebenfalls eine Rolle. Bewegt sich das Objekt geradlinig auf den Sensor zu, sprechen wir von axialer Annäherung. In diesem Fall muss der Sensor physisch geschützt werden. Ein Nachlauf von z. B. 25 % ist zu berücksichtigen. 2 Sn Sn 1 Axiale Annäherung a Sensorfläche Die Hysterese bei einer axialen Annäherung ist gewöhnlich größer als bei einer seitlichen Annäherung. D 0.75 x D 1 2 Seitliche Annäherung a Empfohlener Erfassungsbereich b Zielobjekt Bei einer seitlichen Annäherung nähert sich das Zielobjekt der Mittelachse des Erfassungsbereichs von der Seite (lateral). Das Zielobjekt muss beim Vorbeifahren mindestens die in der Maschinenkonstruktion vorgesehene Grundtoleranz als Abstand einhalten. Bei beiden Annäherungsarten ist sicherzustellen, dass die Entfernung zwischen Zielobjekt und Sensorfläche maximal 75 % des Erfassungsabstands beträgt. Spulen-/Kerngröße Der Aufbau von Spule/Kern ist ein wichtiger Faktor für den Sensorbereich. Eine offene Spule ohne Kern erzeugt ein Feld, das von einem Zielobjekt aus in allen Richtungen betätigt werden könnte. In einer Industrieanwendung wäre das nicht empfehlenswert. Bei einem induktiven Näherungssensor sitzt die Sensorspule, die das Feld erzeugt, in einem Ferritkern. Dieser becherförmige Teil aus Ferritwerkstoff wird Topfkern genannt. Dieser Kern richtet und formt das Feld. 1 2 3 4 Spulen-/Kernaufbau a Schutzkappe b Spule c Topfkern d Sensorkopf Eine Schutzkappe verhindert, dass Staub oder andere Umwelteinflüsse in den Sensor eindringen. Schirmung Zur Fokussierung der Feldstärke kann die Spule geschirmt werden. Bei einem Standardbereich-Sensor formt der Ferrit-Topfkern das Feld so, dass es gerade nach vorne aus der Sichtfläche des Sensors austritt - gewissermaßen abgeschirmt. Eine Spulen-/Kernbaugruppe mit erweitertem Erfassungsbereich verwendet nicht den Standard-Topfkern, sondern nur einen Ferritkern. Dieser ungeschirmte Sensor gestattet eine Erweiterung des Erfassungsbereichs. Es gibt dabei weniger Ferrit zur Absorption des elektromagnetischen Felds. Dessen Wirkungsbereich ist daher breiter und etwas weiter. Die Entscheidung, einen ungeschirmten Sensor einzusetzen, hat Auswirkungen auf die Sensorbefestigung. Dieses Thema behandeln wir als Nächstes. 1 2 Schirmung a bündiger Einbau (geschirmt) b nicht bündiger Einbau (ungeschirmt) Montage Ein abgeschirmter bündig eingebauter Sensor kann vollständig in einem metallischen Montageblock sitzen, ohne dass sein Erfassungsbereich davon betroffen ist. Um einen ungeschirmten Sensor herum wird - abhängig vom Erfassungsbereich des Sensor - ein Freiraum (metallfreie Zone) benötigt. Wird dies nicht beachtet, erkennt der Sensor die metallische Befestigung und ist dauernd aktiv. Der Aufbau eines Sensors (Schirmung) hat damit Auswirkungen auf die Art seiner Montage. 1 Freiraum a bündiger Einbau (geschirmt) b nicht bündiger Einbau (ungeschirmt) Probleme können auch auftreten, wenn zwei Sensoren zu eng beieinander montiert werden. Sitzen zwei Näherungssensoren zu dicht beieinander - entweder nebeneinander oder gegenüber - beeinflussen sich die Felder gegenseitig. Zwischen den einzelnen Sensoren muss ein Mindestabstand des dreifachen Erfassungsbereichs eingehalten werden. Eine gegenseitige Beeinflussung der Sensor-Erfassungsbereiche kann durch Verwendung von Sensorköpfen mit unterschiedlichen Frequenzen vermieden werden. Montageabstände a a d 2 bündig 0 0 nicht bündig 2 × Sn Kappenhöhe halbbündig Sn d Umgebung Die Umgebung des Sensors kann seine Leistung erheblich beeinflussen. Einige dieser Umgebungsfaktoren sind: • Schmutzteilchen Auf der Erfassungskalotte können sich Schmutzteilchen ansammeln und den Erfassungsbereich verändern. Bei Anwendungen, in denen Metallspäne anfallen, muss der Sensor so eingebaut werden, dass eine Ansammlung dieser Späne auf der Sensorfläche verhindert wird. Ist dies nicht möglich, muss die Sensorfläche z. B. mit Kühlflüssigkeit von den Spänen gereinigt werden. Ein einzelner Span hat zwar normalerweise nicht genug Oberfläche, um den Sensor durchzuschalten, mehrere Späne zusammen können aber den Erfassungsbereich verändern und die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen. • Elektrische Leitungen Von elektrischen Leitungen in der Umgebung verursachte Magnetfelder können den Sensorbetrieb beeinträchtigen. Der Sensor funktioniert b b nicht mehr, wenn die Feldstärke um die Leitungen herum einen Wert erreicht, der zu einer Sättigung von Ferrit oder Spule führt. Die Funktion von Sensoren in der Umgebung von Hochfrequenz-Schweißgeräten kann ebenfalls beeinträchtigt werden. Zur Kompensierung der Störungen eines Schweißgeräts können Sensoren eingesetzt werden, die gegen Schweißfelder immun sind. Wird der Sensor mit einer SPS zusammen verwendet, kann eine Zeitverzögerung so programmiert werden, dass das Signal vom Sensor ignoriert wird, solange das Schweißgerät in Betrieb ist. • Hochfrequenzsender (HF) HF-Sender (beispielsweise Walkie- Talkies) können Signale erzeugen, die die gleiche Frequenz wie der Oszillatorkreis des Sensors verwenden. Dies wird als Hochfrequenzstörung bezeichnet. Sensoren haben integrierte EMV-Massnahmen, um maximalen Schutz gegen Hochfrequenzstörungen und Fehlfunktionen des Sensors zu bieten. Elektrische Störungen von benachbarten Motoren, Magnetspulen, Relais und ähnlichem können ebenfalls die Funktion eines Sensors beeinträchtigen. • Induzierte Leitungsstörungen oder Stromspitzen Induzierte Leitungsstörungen oder Stromspitzen können zu Fehlfunktionen des Sensors führen. Diese Spitzen können durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt werden, der sich beim Schließen eines elektromechanischen Schalters oder Schützes bildet. Wurden die Anschlussleitungen des Sensors und dieser Geräte dicht nebeneinander und parallel zueinander verlegt, kann die Sensorleistung durch die Spitzen beeinflusst werden. Die meisten Vorschriften fordern daher eine getrennte Verlegung von Signal- und Leistungsleitungen. • Umgebungstemperatur Die Umgebungstemperatur kann den Erfassungsbereich beeinträchtigen. Diese Auswirkung wird Temperaturdrift genannt. Der Erfassungsbereich kann sich dabei um bis zu ±10 % ändern. Bauteilschwankungen, Störungen auf der elektrischen Versorgung und die Umgebungstemperatur sowie die Auswirkungen des normalen Maschinenverschleißes können zu Veränderungen der Erfassungsbereiche führen. Sensoren müssen daher so ausgewählt werden, dass sie das Zielobjekt bei 75 % des nominalen Schaltabstandes erfassen und bei 125 % wieder deaktiviert werden. 1 2 125 % 75 % Sensor 3 4 Toleranzen im Erfassungsbereich a Zielobjekt b Nenn-Schaltabstand c Maximaler Reset-Abstand d Maximal realer Arbeitsabstand CA053003DE-INT www.eaton.eu
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