Robustheit induktiver Näherungsschalter gegen Beschädigung

Die Hammer-Demo

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Die Sensorik von Fertigungsanlagen ist naturgemäß hohen und vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Die daraus resultierenden Ausfälle, die Stillstandszeiten und Wartungsaufwand zur Folge haben, werden mit zunehmender Komplexität und der damit steigenden Sensordichte der Anlagen immer teurer. Entsprechend viel Geld kann daher eine erhöhte „Missbrauchstoleranz“ der Sensoren sparen.

Dipl.-Ing. Peter Heimlicher Gründer und Geschäftsführer der Contrinex AG in Givisiez/ CH, dt. Sitz in Nettetal

Die Sensor-Zuverlässigkeit hat zwar heute einen Stand erreicht, der kaum zu wünschen übrig lässt – allerdings nur, wenn die Geräte innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben werden. Auch bei Anwendung aller Sorgfalt kann dies in der Praxis aber nicht durchgehend gewährleis-tet werden. Daher nimmt das Interesse an einer möglichst großen „Missbrauchs-toleranz“ der Sensoren zu.
Das Problem
Ausfälle induktiver Näherungsschalter werden gemäß einer Faustregel zu 80% durch mechanische Beschädigung verursacht, und zwar fast ausschließlich am Sensorkopf. Dieser ist bei den am weitesten verbreiteten zylindrischen Metallausführungen durch eine dünnwandige Kunststoffkappe geschützt; dickere Wände hätten eine Verkleinerung des Nutzschaltabstands zur Folge. Diese Kunststoffkappe ist natürlich nicht sehr robust und befindet sich zudem einsatzbedingt an der denkbar exponiertesten Stelle, d.h. in geringem Abstand zu bewegten Teilen. Erschwerend kommt hinzu, dass unmittelbar hinter dieser Kunststoffkappe das felderzeugende Element, der Ferritkern mit Spule, liegt. Der Ferritkern verhält sich mechanisch wie eine wenig robuste, hoch bruchempfindliche Keramik. Da ein Kernbruch einen Totalausfall oder zumindest eine empfindliche Leistungsminderung des Geräts verursacht, muss die Verbesserung der „Miss-brauchstoleranz“ hier ansetzen.
Die beschriebene Situation lässt sich grundsätzlich auf mehrere, nachfolgend anlysierte Arten verbessern:
m besserer mechanischer Schutz des Sensorkopfs;
m weniger bruchempfindliches Kernmaterial;
m geringere Empfindlichkeit des Ge-räts auf Kernbruch;
m Einsatz kernloser Spulen.
Besserer mechanischer Schutz
Wünschbar wäre der Ersatz der Kunststoffkappe durch eine möglichst dickwandige Kappe aus hochwertigem Metall. Idealerweise sollte sogar die ganze Hülse aus einem Stück – am besten aus Edelstahl – bestehen. Dieser Wunsch steht bedauerlicherweise im Konflikt mit der Physik, da die aktive Fläche für das im Sensorkopf erzeugte magnetische Wechselfeld durchlässig sein muss. Als Metalleigenschaften sind für die erreichbare Eindringtiefe eine niedrige magnetische Permeabilität in Verbindung mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand von Vorteil. Edelstahl ist also in dieser Hinsicht sehr gut geeignet. Zudem ist für eine große Eindringtiefe eine möglichst tiefe Frequenz des Magnetfelds erforderlich. Die üblichen Arbeitsfrequenzen induktiver Geräte (einige hundert kHz) liegen jedoch viel zu hoch und ermöglichen nur völlig ungenügende Wandstärken (z.B. bei 500 kHz und Edel-stahl: 0,02 mm für 10% Vordämpfung).
Weniger bruchempfindliches Kernmaterial
Es hat nicht an Versuchen zum Ersatz der für Ferrite verwendeten keramischen Bindemittel gefehlt. Sie konzentrierten sich auf Kunststoffe, was sich als grundsätzlich machbar erwiesen hat. Allerdings sind die magnetischen Eigenschaften derartiger Materialien so schlecht, dass sie für Näherungsschalter, insbesondere für solche mit erhöhten Schaltabständen, unbrauchbar sind.
Geringere Kernbruch-Empfindlichkeit
Kernbruch verringert die Induktivität und erhöht die Verluste in der das magnetische Wechselfeld erzeugenden Spule. Da der klassische induktive Näherungsschalter die Verluste im Oszillatorschwingkreis, wovon die feld-erzeugende Spule ein Teil ist, auswertet, reagiert er sehr empfindlich auf Kernbruch. Insbesondere bei Geräten mit erhöhten Schaltabständen ist schon bei einfachem Kernbruch mit irreversiblem Funktionsausfall zu rechnen.
Die Situation ist bei Ausführungen, die mit dem transformatorischen Prinzip arbeiten, wesentlich günstiger. Hier ist die Kopplung die maßgebende Größe, die durch Kernbruch weniger beeinflusst wird. Das übliche Verfahren, das einer Art Differenzialtransformator entspricht, ergibt allerdings nur bei recht hohen Arbeitsfrequenzen akzeptable Schalt-abstände. Dies steht im Konflikt zum Wunsch nach hoher Feld-Eindringtiefe. Eine Metallwandung an der aktiven Fläche kommt daher nicht in Frage.
Einsatz kernloser Spulen
Die Nutzung kernloser Spulen ist in Bezug auf Kernbruch natürlich die radikalste Variante, doch tauchen hier andere Probleme auf. Solche Spulen bedingen nämlich grundsätzlich relativ hohe Arbeitsfrequenzen, sodass eine Metallwandung an der aktiven Fläche ebenfalls nicht in Frage kommt. Dies ist aber auch hier ein schwer wiegender Nachteil, da die kernlose Spule mechanisch ebenfalls recht empfindlich ist.
Die Problem-Lösung
Das von Contrinex verwendete Condet-Verfahren erfüllt alle genannten Anforderungen und vermeidet hierbei die Nachteile. Es beruht auf dem Prinzip der direkten transformatorischen Kopplung, benötigt keine hohe Arbeitsfrequenz (ca. 10 kHz) und lässt daher beträchtliche Metallwandstärken an der aktiven Fläche zu. Umgesetzt ist dies bei den Contrinex-Geräten der Serie 700, die in dickwandige einteilige Edelstahlgehäuse eingebaut sind. Die Wandstärke an der aktiven Fläche beträgt z.B. bei Baugröße M12 immerhin 0,4 mm, bei M30 sogar 1,0 mm. Dank des transformatorischen Prinzips beeinflusst Kernbruch, der trotz des mechanischen Schutzes auch hier nie ganz ausgeschlossen werden kann, die Geräteeigenschaften nicht nennenswert, da Windungszahlverhältnis und Koppelfaktor maßgebend sind. Dies gilt auch für Mehrfach- und Vielfach-Kernbruch.
Diese Vorteile gehen beim Condet-Verfahren nicht zu Lasten anderer Eigenschaften. Die erzielbaren Schaltabstände bleiben nach wie vor – insbesondere auf NE-Metallen – sehr groß. Als Nebeneffekt können die Geräte zudem in größerem Abstand zu bewegten Teilen montiert werden, was die Betriebszuverlässigkeit bereits beträchtlich erhöht. Auch hinsichtlich Schaltfrequenz, Temperaturbereich, EMV usw. müssen keine Einschränkungen in Kauf genommen werden.
Hammer-Demo als Beweis
Zur drastischen Veranschaulichung der Condet-Vorteile hat sich Contrinex einen im wahrsten Sinne des Wortes „schlagenden Beweis“ einfallen lassen: die Hammer-Demo (Bild 1). Dazu wird in einen handelsüblichen Gummihammer ein Näherungsschalter der Serie 700 (Baugröße M30) eingebaut, der mit einem ebenfalls handelsüblichen Näherungsschalter-Prüfgerät verbunden ist. Mit dem so präparierten Hammer werden (nicht zu kleine) Nägel in ein Stück Holz eingeschlagen, wobei die aktive Fläche des Sensors als Schlagfläche dient (Bild 2). Der Summer des Prüfgeräts bestätigt dabei die einwandfreie Schalter-Funktion vor, wäh-rend und nach dem Nageln.
Diese Hammer-Demo hat auf Ausstellungen nicht nur viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Es zeigte sich zudem, dass ein so präparierter Hammer mehrere tausend Nägel übersteht, auch wenn sie von weniger geübten Besuchern zum Teil abgebogen eingeschlagen werden. Dann muss nicht etwa der Sensor gewechselt werden; überraschenderweise überlebt dieser das Gummi des Hammers in der Regel problemlos.
Auch am Näherungsschalter geht ein solcher Einsatz natürlich nicht spurlos vorbei. Die aktive Fläche wird zuerst eingekerbt, dann mehr und mehr (1 bis 2 mm tief) eingebeult (Bild 3). Wie sich bei der anschließenden Zerlegung der so miss-handelten Geräte zeigt, sind die Ferrit-kerne vielfach gebrochen; zum Teil besteht nur noch eine körnige Struktur, die lediglich durch die Vergussmasse des Geräts einigermaßen zusammengehalten wird. Dennoch weist der Näherungsschalter nur minimal veränderte Eigenschaften auf.
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