Sensoren - Produkte, Grundlagen und Anwendungen - Moeller
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<strong>Gr<strong>und</strong>lagen</strong> <strong>Sensoren</strong> 105<br />
Induktive Näherungssensoren<br />
Die Dicke des Zielobjekts hat keinen<br />
großen Einfluss auf den Erfassungsbereich.<br />
Mit einem sehr dünnen nichteisenhaltigen<br />
Zielobjekt kann man<br />
allerdings wirklich einen größeren<br />
Erfassungsbereich erzielen, da hierbei<br />
auf beiden Seiten Wirbelströme<br />
erzeugt werden.<br />
Wie groß soll also ein Zielobjekt sein?<br />
Als Faustregel gilt: Sensordurchmesser<br />
oder dreifacher Sensor-Erfassungsbereich<br />
(der jeweils größere<br />
Wert).<br />
Form des Zielobjekts<br />
Die Form des Zielobjekts kann sich auf<br />
den Erfassungsbereich auswirken. Ein<br />
r<strong>und</strong>es Objekt oder ein Objekt mit einer<br />
rauen Oberfläche kann die Bedämpfungswirkung<br />
auf den Sensor beeinträchtigen<br />
<strong>und</strong> dadurch einen<br />
geringeren Erfassungsabstand erforderlich<br />
machen. Die Verwendung eines<br />
größeren Sensors oder eines Sensors<br />
mit einem größeren Erfassungsbereich<br />
minimiert diesen Effekt ebenfalls.<br />
Annäherung des Zielobjekts<br />
Die Art, wie sich das Zielobjekt dem<br />
Sensor nähert, spielt ebenfalls eine<br />
Rolle. Bewegt sich das Objekt geradlinig<br />
auf den Sensor zu, sprechen wir<br />
von axialer Annäherung. In diesem<br />
Fall muss der Sensor physisch<br />
geschützt werden. Ein Nachlauf von z.<br />
B. 25 % ist zu berücksichtigen.<br />
2 Sn<br />
Sn<br />
1<br />
Axiale Annäherung<br />
a Sensorfläche<br />
Die Hysterese bei einer axialen Annäherung<br />
ist gewöhnlich größer als bei<br />
einer seitlichen Annäherung.<br />
D<br />
0.75 x D<br />
1<br />
2<br />
Seitliche Annäherung<br />
a Empfohlener Erfassungsbereich<br />
b Zielobjekt<br />
Bei einer seitlichen Annäherung<br />
nähert sich das Zielobjekt der Mittelachse<br />
des Erfassungsbereichs von<br />
der Seite (lateral).<br />
Das Zielobjekt muss beim Vorbeifahren<br />
mindestens die in der Maschinenkonstruktion<br />
vorgesehene<br />
Gr<strong>und</strong>toleranz als Abstand einhalten.<br />
Bei beiden Annäherungsarten ist<br />
sicherzustellen, dass die Entfernung<br />
zwischen Zielobjekt <strong>und</strong> Sensorfläche<br />
maximal 75 % des Erfassungsabstands<br />
beträgt.<br />
Spulen-/Kerngröße<br />
Der Aufbau von Spule/Kern ist ein<br />
wichtiger Faktor für den Sensorbereich.<br />
Eine offene Spule ohne Kern<br />
erzeugt ein Feld, das von einem Zielobjekt<br />
aus in allen Richtungen betätigt<br />
werden könnte. In einer Industrieanwendung<br />
wäre das nicht empfehlenswert.<br />
Bei einem induktiven Näherungssensor<br />
sitzt die Sensorspule, die das Feld<br />
erzeugt, in einem Ferritkern. Dieser<br />
becherförmige Teil aus Ferritwerkstoff<br />
wird Topfkern genannt. Dieser Kern<br />
richtet <strong>und</strong> formt das Feld.<br />
1 2 3 4<br />
Spulen-/Kernaufbau<br />
a Schutzkappe<br />
b Spule<br />
c Topfkern<br />
d Sensorkopf<br />
Eine Schutzkappe verhindert, dass<br />
Staub oder andere Umwelteinflüsse in<br />
den Sensor eindringen.<br />
Schirmung<br />
Zur Fokussierung der Feldstärke kann<br />
die Spule geschirmt werden. Bei<br />
einem Standardbereich-Sensor formt<br />
der Ferrit-Topfkern das Feld so, dass<br />
es gerade nach vorne aus der Sichtfläche<br />
des Sensors austritt - gewissermaßen<br />
abgeschirmt.<br />
Eine Spulen-/Kernbaugruppe mit<br />
erweitertem Erfassungsbereich verwendet<br />
nicht den Standard-Topfkern,<br />
sondern nur einen Ferritkern. Dieser<br />
ungeschirmte Sensor gestattet eine<br />
Erweiterung des Erfassungsbereichs.<br />
Es gibt dabei weniger Ferrit zur<br />
Absorption des elektromagnetischen<br />
Felds. Dessen Wirkungsbereich ist<br />
daher breiter <strong>und</strong> etwas weiter.<br />
Die Entscheidung, einen ungeschirmten<br />
Sensor einzusetzen, hat Auswirkungen<br />
auf die Sensorbefestigung.<br />
Dieses Thema behandeln wir als<br />
Nächstes.<br />
1<br />
2<br />
Schirmung<br />
a bündiger Einbau (geschirmt)<br />
b nicht bündiger Einbau (ungeschirmt)<br />
Montage<br />
Ein abgeschirmter bündig eingebauter<br />
Sensor kann vollständig in einem<br />
metallischen Montageblock sitzen,<br />
ohne dass sein Erfassungsbereich<br />
davon betroffen ist.<br />
Um einen ungeschirmten Sensor<br />
herum wird - abhängig vom Erfassungsbereich<br />
des Sensor - ein Freiraum<br />
(metallfreie Zone) benötigt. Wird<br />
dies nicht beachtet, erkennt der Sensor<br />
die metallische Befestigung <strong>und</strong><br />
ist dauernd aktiv.<br />
Der Aufbau eines Sensors (Schirmung)<br />
hat damit Auswirkungen auf die<br />
Art seiner Montage.<br />
1<br />
Freiraum<br />
a bündiger Einbau (geschirmt)<br />
b nicht bündiger Einbau<br />
(ungeschirmt)<br />
Probleme können auch auftreten,<br />
wenn zwei <strong>Sensoren</strong> zu eng beieinander<br />
montiert werden. Sitzen zwei<br />
Näherungssensoren zu dicht beieinander<br />
- entweder nebeneinander oder<br />
gegenüber - beeinflussen sich die Felder<br />
gegenseitig. Zwischen den einzelnen<br />
<strong>Sensoren</strong> muss ein Mindestabstand<br />
des dreifachen Erfassungsbereichs<br />
eingehalten werden. Eine<br />
gegenseitige Beeinflussung der Sensor-Erfassungsbereiche<br />
kann durch<br />
Verwendung von Sensorköpfen mit<br />
unterschiedlichen Frequenzen vermieden<br />
werden.<br />
Montageabstände<br />
a<br />
a<br />
d<br />
2<br />
bündig 0 0<br />
nicht bündig 2 × Sn Kappenhöhe<br />
halbbündig Sn d<br />
Umgebung<br />
Die Umgebung des Sensors kann<br />
seine Leistung erheblich beeinflussen.<br />
Einige dieser Umgebungsfaktoren<br />
sind:<br />
• Schmutzteilchen<br />
Auf der Erfassungskalotte können sich<br />
Schmutzteilchen ansammeln <strong>und</strong> den<br />
Erfassungsbereich verändern. Bei<br />
<strong>Anwendungen</strong>, in denen Metallspäne<br />
anfallen, muss der Sensor so eingebaut<br />
werden, dass eine Ansammlung<br />
dieser Späne auf der Sensorfläche<br />
verhindert wird. Ist dies nicht möglich,<br />
muss die Sensorfläche z. B. mit Kühlflüssigkeit<br />
von den Spänen gereinigt<br />
werden. Ein einzelner Span hat zwar<br />
normalerweise nicht genug Oberfläche,<br />
um den Sensor durchzuschalten,<br />
mehrere Späne zusammen können<br />
aber den Erfassungsbereich verändern<br />
<strong>und</strong> die Genauigkeit des Sensors<br />
beeinträchtigen.<br />
• Elektrische Leitungen<br />
Von elektrischen Leitungen in der<br />
Umgebung verursachte Magnetfelder<br />
können den Sensorbetrieb beeinträchtigen.<br />
Der Sensor funktioniert<br />
b<br />
b<br />
nicht mehr, wenn die Feldstärke um<br />
die Leitungen herum einen Wert<br />
erreicht, der zu einer Sättigung von<br />
Ferrit oder Spule führt. Die Funktion<br />
von <strong>Sensoren</strong> in der Umgebung von<br />
Hochfrequenz-Schweißgeräten kann<br />
ebenfalls beeinträchtigt werden. Zur<br />
Kompensierung der Störungen eines<br />
Schweißgeräts können <strong>Sensoren</strong> eingesetzt<br />
werden, die gegen Schweißfelder<br />
immun sind. Wird der Sensor<br />
mit einer SPS zusammen verwendet,<br />
kann eine Zeitverzögerung so programmiert<br />
werden, dass das Signal<br />
vom Sensor ignoriert wird, solange<br />
das Schweißgerät in Betrieb ist.<br />
• Hochfrequenzsender (HF)<br />
HF-Sender (beispielsweise Walkie-<br />
Talkies) können Signale erzeugen, die<br />
die gleiche Frequenz wie der Oszillatorkreis<br />
des Sensors verwenden. Dies<br />
wird als Hochfrequenzstörung<br />
bezeichnet. <strong>Sensoren</strong> haben integrierte<br />
EMV-Massnahmen, um maximalen<br />
Schutz gegen Hochfrequenzstörungen<br />
<strong>und</strong> Fehlfunktionen des<br />
Sensors zu bieten.<br />
Elektrische Störungen von benachbarten<br />
Motoren, Magnetspulen, Relais<br />
<strong>und</strong> ähnlichem können ebenfalls die<br />
Funktion eines Sensors beeinträchtigen.<br />
• Induzierte Leitungsstörungen oder<br />
Stromspitzen<br />
Induzierte Leitungsstörungen oder<br />
Stromspitzen können zu Fehlfunktionen<br />
des Sensors führen. Diese Spitzen<br />
können durch den elektrischen Lichtbogen<br />
erzeugt werden, der sich beim<br />
Schließen eines elektromechanischen<br />
Schalters oder Schützes bildet. Wurden<br />
die Anschlussleitungen des Sensors<br />
<strong>und</strong> dieser Geräte dicht<br />
nebeneinander <strong>und</strong> parallel zueinander<br />
verlegt, kann die Sensorleistung<br />
durch die Spitzen beeinflusst werden.<br />
Die meisten Vorschriften fordern<br />
daher eine getrennte Verlegung von<br />
Signal- <strong>und</strong> Leistungsleitungen.<br />
• Umgebungstemperatur<br />
Die Umgebungstemperatur kann den<br />
Erfassungsbereich beeinträchtigen.<br />
Diese Auswirkung wird Temperaturdrift<br />
genannt. Der Erfassungsbereich<br />
kann sich dabei um bis zu ±10 %<br />
ändern.<br />
Bauteilschwankungen, Störungen auf<br />
der elektrischen Versorgung <strong>und</strong> die<br />
Umgebungstemperatur sowie die Auswirkungen<br />
des normalen Maschinenverschleißes<br />
können zu Veränderungen<br />
der Erfassungsbereiche führen.<br />
<strong>Sensoren</strong> müssen daher so ausgewählt<br />
werden, dass sie das Zielobjekt<br />
bei 75 % des nominalen Schaltabstandes<br />
erfassen <strong>und</strong> bei 125 % wieder<br />
deaktiviert werden.<br />
1<br />
2<br />
125 % 75 % Sensor<br />
3<br />
4<br />
Toleranzen im Erfassungsbereich<br />
a Zielobjekt<br />
b Nenn-Schaltabstand<br />
c Maximaler Reset-Abstand<br />
d Maximal realer Arbeitsabstand<br />
CA053003DE-INT<br />
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