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Industrielle Automation 2/2018

Industrielle Automation 2/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Blick ins Detail Vielseitig einsetzbar, langlebig und robust – das sind kapazitive Sensoren Das Zählen von Gegenständen, Behältern oder Verpackungen sind typische Anwendungen von kapazitiven Sensoren Kapazitive Sensoren erlauben hochpräzise Messungen und sind prädestiniert für die Erkennung metallischer und nichtmetallischer Objekte jeglicher Art, selbst hochtransparente Flüssigkeiten. Lesen sie, was diese Technologie so besonders macht, wie vielseitig sie ist und wie ihre Vorteile bestmöglich zum Einsatz kommen. Christian Fiebach ist Geschäftsführer bei der ipf electronic gmbh in Lüdenscheid gungskraft bzw. arbeiten berührungslos und weisen kein Kontaktprellen auf. Sie sind daher verschleißfrei, müssen nicht gewartet werden und haben eine von der Schalthäufigkeit unabhängige Lebensdauer. Bündiger und nichtbündiger Einbau kapazitiver Sensoren Eingeteilt werden kapazitive Sensoren nach ihrer Einbauart, wobei man zwischen einem bündigen und nichtbündigen Einbau unterscheidet. Bei einem bündigen Einbau kann der Sensor bis zur aktiven Fläche in ein Metall oder ein anderes potenziell beeinflussendes Material integriert werden, ohne dass sich seine Eigenschaften verändern. Bei nichtbündig einbaubaren Näherungsschaltern muss eine Freizone um das Gerät vorgesehen werden, die bei allen Sensoren auch zum gegenüberliegenden Material einzuhalten ist. Sowohl bei bündig als auch nichtbündig einbaubaren kapazitiven Näherungsschaltern sind die für die Geräte angegebenen Abstände einzuhalten, um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Einfluss der Dielektrizitätskonstante auf die Detektion Der materialspezifische Reduktionsfaktor eines kapazitiven Sensors ist abhängig von der relativen Dielektrizitätskonstante für 01 Die kapazitiven Näherungsschalter sind auch in speziellen Ausführungen verfügbar, zum Beispiel mit einem Teflongehäuse (oben) Die aktive Fläche eines kapazitiven Näherungsschalters besteht aus zwei konzentrisch angeordneten metallischen Elektroden (aufgeklappter Plattenkondensator). Nähert sich ein metallisches oder nichtmetallisches Objekt der aktiven Fläche, verändert es das elektrische Feld vor den Elektroden. Über eine Auswerteschaltung wird diese Veränderung in ein Schaltsignal umgesetzt. Mit solchen Geräten direkt ansteuerbar sind Elektronik-Schaltungen, SPS, Relais und Schütze. Durch ihren Aufbau erfordern kapazitive Sensoren keine Betätiein bestimmtes Material. Sie beschreibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. In der Regel erfassen kapazitive Näherungsschalter Produkte, wenn die relative Dielektrizitätskonstante > 1,5 ist, wobei die Konstante von mehreren Faktoren abhängig ist, z. B. der Temperatur. Daher sind die Angaben zu bestimmten Produkten als exemplarisch zu betrachten. Die größten Schaltabstände erreichen kapazitive Sensoren bei ferromagnetischen Materialien (Stahl, Eisen) und Wasser. Bei anderen Werkstoffen ist der erzielbare Schaltabstand geringer. Beschrieben wird der Werkstoffeinfluss auf den Schaltab - stand durch materialspezifische Reduktions - fak toren. Hierbei gilt: Materialabhängiger Schaltabstand = Nennschaltabstand × Reduktionsfaktor für den jeweiligen Werkstoff. Der Nennschaltabstand ist eine Kenngröße zur Eingruppierung der Sensoren und berücksichtigt keine Exemplarstreuungen sowie äußere Einflüsse wie Temperatur- oder 16 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK Spannungsschwankungen. Beim Nennschaltabstand wird der Abstand angegeben, bei dem die Normmessplatte, die sich der aktiven Fläche des Sensors nähert, eine Zustandsänderung des Schaltausgangs bewirkt. Die geerdete, quadratische Normmessplatte besteht aus Stahl FE360, ist 1 mm dick und verfügt über eine geglättete Oberfläche. Die Kantenlänge der Platte entspricht dem Durchmesser der aktiven Fläche eines kapazitiven Näherungsschalters. Auswirkungen von Umgebungseinflüssen und Wahl des Sensors Die maximale Schaltfrequenz von kapazitiven Sensoren gibt die höchstzulässige Anzahl von Impulsen pro Sekunde bei einem konstanten Impuls-Pausen-Verhältnis von 1:2 und halbem Nennschaltabstand an. Diese Schaltfrequenz wird ebenfalls mit einer Standardnormmessplatte bestimmt. Die maximal möglichen Schaltvorgänge pro Sekunde setzen der Schaltfrequenz somit Grenzen. Bei der Wahl des Sensors muss daher ein Kompromiss zwischen seiner Größe und der Schaltfrequenz gemacht werden. Einstellen lässt sich der Schaltabstand von kapazitiven Sensoren zumeist über ein Potentiometer. Sind die Umgebungseinflüsse konstant, ist eine Einstellung der Reichweite bzw. Empfindlichkeit bis zum angegebenen Maximalwert möglich. Dieser Wert darf jedoch nicht bei schwankenden Umgebungseinflüssen ausgeschöpft werden, da sich z. B. Temperatur und Schwankungen der Versorgungsspannung auf das Ansprechverhalten auswirken und bei Maximalwerteinstellung zu Fehlfunktionen des Gerätes führen können. Die in kapazitiven Sensoren integrierte Schalthysterese verhindert ein Hin- und Herkippen des Schaltausgangs, wenn sich ein Objekt an der Grenze des Erfassungsbereichs befindet und mechanischen Vibrationen unterliegt. 02 Kapazitive Sensoren weisen einen Normschaltabstand von 0,8 bis 120 mm auf Sensoren auf die jeweilige Anwendung abstimmen Das Positionieren oder Zählen von Gegenständen, Behältern oder Verpackungen sind typische Anwendungen von kapazitiven Sensoren für den bündigen Einbau. Auch zur Füllstandabfrage von pastösen, festen sowie flüssigen Medien lassen sie sich verwenden. Selbst für die Abfrage von Füllständen durch Behälterwandungen hindurch eignen sich Lösungen für den bündigen Einbau. Allerdings dürfen die Wandungen nicht zu dick sein und nur aus nichtmetallischen Materialien bestehen. Hinzu kommt, dass hierbei die Dielektrizitätskonstante des zu erfassenden Mediums um zirka Faktor 5 größer sein muss. Der Einsatz von kapazitiven Sensoren für den nichtbündigen Einbau empfiehlt sich dann, wenn ein Medium mit der aktiven Fläche in Berührung kommt, z.B. bei der Füllstanderfassung von Schüttgütern, Pasten oder Flüssigkeiten. Allgemein formuliert, haben kapazitive Näherungsschalter den Vorteil, dass sie auf alle Materialien sehr gut reagieren und somit sehr vielseitig einsetzbar sind. Das Angebot an kapazitiven Näherungsschaltern mit Normschaltabstand (Schaltabstände von 0,8 bis 120 mm) von IPF­ Electronic erstreckt sich über Baugrößen von 6,5 bis 100 mm. Die Sensoren sind mit und ohne Gewinde sowie als quaderförmige Lösungen ausgeführt. Die für den bündigen wie nichtbündigen Einbau geeigneten Geräte haben eine aktive Fläche aus Kunststoff und sind für einen Temperaturbereich von - 25 bis + 70 °C geeignet. Robust und variantenreich Gerätelösungen für spezielle Umgebungsbedingungen verfügen neben einem erweiterten Temperaturbereich von - 25 bis + 80 °C beispielsweise über eine hohe Dichtigkeit und sind laugen- oder säurebeständig. Die kapazitiven Näherungsschalter sind in Baugrößen von 4 bis 35 mm sowie mit und ohne Gewinde erhältlich. Die Schaltabstände der bündig und nichtbündig einbaubaren Varianten reichen von 2 bis 40 mm. Die aktive Fläche besteht aus Kunststoff oder Teflon. Zudem stehen Ausführungen mit Teflongehäuse und Entwicklungen für die Schlauch- oder Rohrmontage zur Verfügung. Fotos: Schmuckbild Fotolia, sonstige ipf electronic www.ipf.de Bremsentechnologie 4.0 — jetzt upgraden! ROBA ® -brake-checker: Permanentes Bremsen-Monitoring von Schaltzustand, Temperatur und Verschleiß www.mayr.com Besuchen Sie uns auf der Hannover Messe, Halle 22 Stand A44 Ihr zuverlässiger Partner Mayr.indd 1 14.03.2018 08:00:47 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2018 17