Sensoren - Produkte, Grundlagen und Anwendungen - Moeller

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I I 106 Sensoren Kapazitive Näherungssensoren Grundlagen Kapazitive Näherungssensoren Die Funktion des kapazitiven Näherungssensors ist im Wesentlichen die gleiche wie die des induktiven Näherungssensors, seine Erfassungsart ist aber ganz anders. Fähigkeit eines Dielektrikums, eine elektrische Ladung zu speichern. Die Entfernung zwischen den Platten bestimmt ebenfalls die Fähigkeit des Kondensators, eine Ladung zu speichern. Durch Eintritt eines Objekts in das elektrische Feld wird der Kapazitätswert verändert. Diese Änderung wird für die Schaltfunktion ausgewertet. 1 Oszillatordämpfung 100 % 0 [mm] Induktiv I = Strom im Schwingkreis Der Detektorkreis überwacht den Oszillatorausgang. Erkennt er eine ausreichende Feldveränderung, schaltet er den Ausgangsschaltkreis. 100 % 0 [mm] Kapazitiv I = Strom im Schwingkreis Der Ausgangsschaltkreis bleibt aktiv, bis das Zielobjekt das Messfeld verlässt. Der Oszillator reagiert mit einer Rücknahme der Amplitude. Der Detektorschaltkreis schaltet aus, wenn die Veränderung des elektrischen Feldes zu gering wird. Die intern festgelegte Differenz zwischen Ein- und Ausschaltamplitude der Schwingung bildet die Hysterese. Kapazitive Näherungssensoren Kapazitive Näherungssensoren oder - schalter sind Sensoren, die sowohl metallische als auch nichtmetallische Gegenstände erfassen. Sie sind ideal geeignet zur Füllstandsmessung für Flüssigkeiten und Schüttgut. 2 Kondensator a Platten b Dielektrikum Stärken & Schwächen Betrachten wir die Stärken und Schwächen des kapazitiven Näherungssensors: Stärken • Erkennt metallische und nicht metallische Objekte über größere Entfernungen als die induktiven Sensoren. • Hohe Schaltgeschwindigkeit für Anwendungen, die schnelle Reaktionen erfordern (Zählen). • Kann flüssige Zielobjekte durch nichtmetallische Hindernisse (Glas, Kunststoff) hindurch erkennen. • Hohe Lebensdauer, Halbleiterausgang für „prellfreie“ Signale. Schwächen • Beinflusst durch Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeit. • Nicht so genau wie ein induktiver Näherungssensor. Anwendungsbereiche Die folgenden Beispiele zeigen, wie die Erfassungsleistung von kapazitiven Näherungssensoren eingesetzt werden kann: • Die Erkennung von Flüssigkeitsfüllständen, um beispielsweise Überfüllung oder Leerlauf zu verhindern, ist eine häufige Anwendung in der Verpackungsindustrie. • Kontrolle der Materialmenge, um beispielsweise sicherzustellen, dass die Verpackungsbanderole einer Etikettierstraße nicht vollständig aufgebraucht wird. • Zählvorgänge, wie die Verfolgung von Einheiten, die an einem Punkt auf einem Transportband vorbeilaufen. • Spritzgussmaschinen, Erkennung der Füllhöhe des Kunststoffgranulates im Zuführtrichter. Funktionsweise des kapazitiven Näherungssensors Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, die durch einen Nichtleiter (dem Dielektrikum) voneinander getrennt sind. Die Funktionsweise dieses Sensors beruht auf dem Prinzip der elektrischen Kapazität, d.h. der Im kapazitiven Näherungssensor bildet eine kapazitive Platte einen Teil des Schalters, und das Gehäuse (die Fühlerfläche) das Dielektrikum. Das Zielobjekt bildet die zweite „Platte“. Die Erde ist die gemeinsame Masse. Kapazitive Näherungssensoren können ein beliebiges Zielobjekt mit einer Dielektrizitätskonstante größer als Luft erkennen. Flüssigkeiten haben eine hohe Dielektrizitätskonstante. Metallische Gegenstände sind ebenfalls geeignete Zielobjekte. Kapazitive Näherungssensoren bestehen im Wesentlichen aus vier Grundbausteinen: einem Fühler (das Dielektrikum), einem Resonanzkreis, einem Detektorschaltkreis und einem Ausgangskreis. Wenn ein Objekt sich dem Sensor nähert, verändert sich die Dielektrizitätskonstante des Kondensators und die Schwingung im Oszillatorkreis beginnt. Somit arbeitet der kapazitive Sensor genau gegenteilig zu einem induktiven Näherungsschalter, bei dem die Schwingung durch Annäherung eines Zielobjekts gedämpft wird. Funktionsweise des kapazitiven Näherungssensors Einflüsse auf den kapazitiven Näherungssensor Typischerweise haben kapazitive Sensoren einen größeren Erfassungsbereich als induktive Sensoren. Der Erkennungsabstand bei kapazitiven Näherungssensoren hängt vom Plattendurchmesser ab. Bei induktiven Näherungssensoren ist die Spulengröße der entscheidende Faktor. Typische Erfassungsbereiche der Näherungssensoren nicht bündiger Sensor mit ⌀ Induktiv Kapazitiv 18 mm 8 mm 15 mm 30 mm 15 mm 25 mm 34 mm - 35 mm Empfindlichkeitseinstellung Die meisten kapazitiven Näherungssensoren sind mit Potentiometern zur Empfindlichkeitseinstellung ausgestattet. Bei induktiven Sensoren ist die Spulengröße der entscheidende Faktor. Da der Sensor einen dielektrischen Zwischenraum misst, muss der Erfassungsbereich auf die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen einstellt werden. Werkstoff und Größe des Zielobjekts Ein kapazitiver Sensor darf beim Einstellen nicht in der Hand gehalten werden. Die Dielektrizitätskonstante der Hand ist größer als die von Luft. Der Sensor erkennt daher fälschlicherweise Ihre Hand als das gewünschte Zielobjekt. Kapazitive Sensoren können gleich gut eisenhaltige und nichteisenhaltige Werkstoffe erkennen. Bei der Erkennung metallischer Zielobjekte braucht kein Reduktionsfaktor angewandt werden. Andere Werkstoffe beeinflussen jedoch den Erfassungsbereich. Da diese Sensoren Flüssigkeit durch einen nichtmetallischen Werkstoff (beispielsweise Glas oder Kunststoff) erkennen können muss sichergestellt sein, dass der Sensor nur die Flüssigkeit und nicht den Behälter erfasst. Die Transparenz des Behälters hat keinen Einfluss auf die Erkennung. Bei allen praktischen Anwendungen kann die Größe des Zielobjektes auf die gleiche Weise festgelegt werden, wie dies unter „Größe des Zielobjekts“ auf Seite 104 für induktive Näherungssensoren beschrieben wurde. Umgebung Zahlreiche der Faktoren, die induktive Näherungssensoren beeinflussen, haben auch Einfluss auf kapazitive Näherungssensoren - nur noch stärker. • Eingebettete Montage: Kapazitive Sensoren sind immer ungeschirmt und können daher nicht bündig eingebaut werden. • Ablagerungen/Späne: Sie reagieren empfindlicher auf metallische und nichtmetallische Späne und Rückstände. • Benachbarte Sensoren: Wegen des größeren ungeschirmten Erfassungsbereichs ist ein höherer Abstand zwischen den Geräten erforderlich • Zielhintergrund: Wegen des größeren Erfassungsbereichs und der Fähigkeit, metallische und nichtmetallische Werkstoffe zu erkennen, ist bei der Verwendung dieser Sensoren größere Sorgfalt gefordert, wenn ein Hintergrund vorhanden ist. • Umgebungsatmosphäre: Durch Luftfeuchtigkeit kann ein kapazitiver Sensor aktiviert werden, selbst wenn kein Zielobjekt vorhanden ist. • Schweiß-Magnetfelder: Kapazitive Sensoren sollten generell nicht in einer Schweißumgebung eingesetzt werden. • Hochfrequenzstörungen: Kapazitive Näherungssensoren werden durch hochfrequente Felder auf die gleiche Weise wie induktive Näherungssensoren beeinflusst. CA053003DE-INT www.eaton.eu
Grundlagen Sensoren 107 Lichtsensoren Lichtsensoren Lichtsensoren sind sehr vielfältig einsetzbar. Sie erkennen Objekte schneller und über größere Entfernungen als viele konkurrierende Technologien. Lichtsensoren wurden daher in der Fertigungstechnik schnell eine der häufigsten Arten der automatischen Erfassung. Anwendungsbereiche Einige der gebräuchlichsten Anwendungen von Lichtsensoren sind: • Materialtransport: Ein Sensor kann sicherstellen, dass sich die Produkte auf einem Transportband geordnet bewegen. Der Sensor hält den Betrieb an, wenn ein Stau auftritt. Einzelne Objekte können bei ihrer Bewegung auf dem Band gezählt werden. • Verpackung: Sensoren können prüfen, ob Behälter richtig gefüllt, etikettiert und verschlossen wurden. • Maschineller Betrieb: Sensoren können die ordnungsgemäße Funktion einer Maschine überwachen und sicherstellen, dass Werkstoffe vorhanden und Werkzeuge in Ordnung sind. • Papierindustrie: Sensoren können bei hohen Bahngeschwindigkeiten Fehler in der Papierbahn, Bahnklebungen und durchsichtige Bahnen erkennen und feststellen, ob Papier vorhanden ist. Flexibilität in der Bauform Lichtsensoren werden in vielen verschiedenen Bauformen angeboten. Sender und Empfänger können auf viele Arten angeordnet werden, um den Anforderungen der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Betriebsarten Wir stellen die Betriebsarten hier kurz vor und erläutern sie dann später ausführlich (→ Seite 107). Betriebsart Beschreibung Betriebsart Beschreibung Einweglichtschranken Eine Lichtquelle sendet einen Lichtstrahl zu Reflexlichttaster diffus Lichtquelle und Empfänger befinden sich in einem einem Empfänger. Bewegt sich ein Objekt Gehäuse. Bewegt sich ein Zielobjekt vor den zwischen Lichtquelle und Empfänger, Zielobjekt optischen Sensor, reflektiert es selbst den Zielobjekt unterbricht es den Lichtstrahl. Lichtstrahl direkt zurück zum Empfänger. Empfänger Reflexlichttaster Sender Polarisationsreflexlichtschranke Zielobjekt Lichtquelle und Empfänger befinden sich in einem Gehäuse. Der ausgesendete Lichtstrahl wird von einem Polarisationsreflektor zurückgespiegelt und dabei um 90 ° gedreht. Das Zielobjekt unterbricht den polarisierten Lichtstrahl. Hintergrundausblendung (Perfect Prox) Zielobjekt Hierbei handelt es sich um einen speziellen, aus zwei Empfängern bestehenden Reflexlichttaster. Dieser Sensor bietet eine sichere Erfassung von Zielobjekten in einem definierten Entfernungsbereich und blendet zugleich Objekte außerhalb dieses Bereichs aus. Retroreflektor Polarisationsreflexlichtschranke Hintergrund Reflexlichttaster Perfect Prox mit fixer Brennweite Grundlegende Funktionsweise von Lichtsensoren Die Funktionsweise des Lichtsensors LED und Empfänger, so unterbricht es ist recht einfach. Eine Leuchtdiode den Lichtstrahl und wird somit erfasst. (LED) sendet einen Lichtstrahl aus, der Die folgende Abbildung illustriert die von einem Fotodetektor empfangen Funktionsweise eines Lichtsensors. wird. Bewegt sich ein Objekt zwischen 1 2 3 4 5 6 5 10 9 8 7 a Spannungsversorgung b Modulator: Erzeugt Impulse mit definierter Frequenz für Verstärker und Leuchtdiode. c Verstärker d Leuchtdiode e Linse f Zielobjekt oder Reflektor g Empfänger: Entweder eine Fotodiode oder ein Fototransistor; hochempfindlich für die von der Leuchtdiode abgestrahlten Wellenlänge. Leuchtdiode und Empfänger sind mit Schutzlinsen ausgestattet. Wenn der Empfänger Licht empfängt, überträgt er ein Signal an den Empfangsverstärker. h Empfangsverstärker: Blendet aus der Umgebung einfallendes Licht aus, verstärkt das empfangene Lichtsignal und überträgt es durch den Demodulator. i Demodulator: Trennt das vom Empfänger abgegebene Licht von anderen Umgebungslichtquellen. Wenn der Demodulator die empfangenen Lichtsignale als korrekt erkennt, steuert er den Ausgang an. j Ausgang: Übernimmt die Schaltfunktion; wird vom Demodulator angesteuert. CA053003DE-INT www.eaton.eu
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