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Für welche Applikationen eignen sich kapazitive Näherungsschalter

Für welche Applikationen eignen sich kapazitive Näherungsschalter
Spezialist für die Lebensmittelindustrie

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Kapazitive Näherungsschalter arbeiten berührungslos und erfassen so metallische, nichtmetallische, feste oder flüssige Materialien. Aufgrund ihrer technischen Eigenschaften eignen sie sich im Vergleich zu induktiven Näherungssensoren besonders zur Erfassung nichtmetallischer Objekte. Für die meisten Applikationen mit Metallobjekten werden induktive Näherungssensoren bevorzugt, weil diese sowohl zuverlässig sind als auch die kostengünstigere Technologie darstellen.

Typische Applikationen für kapazitive Näherungsschalter finden sich bei der Füllstandsmessung von Flüssigkeiten oder zur Erfassung eines Flüssigkeitspegels durch ein Sichtglas in der Lebensmittelindustrie. Kapazitive Sensoren lassen sich aber auch in abgedichteten Röhren in Trommeln oder Tanks für die Erfassung des Stands von Chemikalien oder wässerigen Lösungen einsetzen, beispielsweise in Abfüllanlagen. Die Sensoren eignen sich aber auch zur Überprüfung von Füllständen bei Granulaten oder Lebensmitteln wie Getreide.

Kapazitive oder induktive Näherungsschalter

Kapazitive Näherungssensoren sind jedoch im Hinblick auf Größe, Gestalt und Funktionsweise mit induktiven Näherungssensoren vergleichbar. Anders als induktive Näherungssensoren, die zur Erfassung von Objekten induzierte Magnetfelder nutzen, reagieren kapazitive Näherungssensoren auf Änderungen in einem elektrischen Feld. Der hinter der Schaltfläche angeordnete Messfühler bildet eine Kondensatorplatte. Wird der Sensor mit Strom versorgt, so wird ein elektrostatisches Feld erzeugt, das auf Kapazitätsänderungen reagiert, die durch ein Objekt verursacht werden. Ist das Objekt außerhalb des elektrostatischen Feldes, so ist der Oszillator nicht aktiv. Nähert sich das Objekt, so tritt eine kapazitive Kopplung zwischen Objekt und kapazitivem Fühler auf. Sobald die Kapazität einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Oszillator aktiviert, der den Ausgangskreis zum Schaltwechsel zwischen Ein und Aus triggert.

Vom mechanischen Endschalter zum elektronischen Sensor

Die Fähigkeit des Sensors ein Objekt zu erfassen wird bestimmt durch die Objektgröße, die Dielektrizitätskonstante und den Abstand vom Messfühler. Die Dielektrizitätskonstante ist eine spezifische Materialeigenschaft. Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante sind einfacher zu erfassen als solche mit geringeren Werten. Je größer ein Objekt und dessen Dielektrizitätskonstante ist, um so stärker ist die kapazitive Kopplung zwischen Objekt und Messfühler, und je kürzer der Abstand zwischen Objekt und Messfühler, um so stärker ist die kapazitive Kopplung. Kapazitive Sensoren bestehen aus den Basiskomponenten kapazitiver Messfühler bzw. Kondensatorplatten, Oszillator-Elektronik, Signalpegelabtaster sowie Halbleiterelektronik als Schaltausgang.

Aufbau kapazitiver Näherungsschalter

Der kapazitive Messfühler baut ein elektrostatisches Feld auf, das die kapazitive Kopplung zwischen dem Messfühler und dem in das Feld eintretenden Objekt erzeugt. Der Oszillator versorgt den kapazitiven Messfühler mit elektrischer Energie. Der Triggerschaltkreis erfasst Veränderungen der Schwingungsamplitude. Veränderungen treten auf, wenn ein Objekt in das vom Sensor abgestrahlte elektrostatische Feld eindringt oder dieses verlässt. Wird im elektrostatischen Feld eine hinreichend große Veränderung erfasst, erzeugt der Halbleiterausgang ein Signal, das über eine Schnittstelle z.B. an eine SPS weitergegeben und dort verarbeitet werden kann. Das Signal zeigt die Anwesenheit eines Objektes im Erfassungsbereich an. Meist verfügen kapazitive Näherungsschalter über Potentiometer zur Einstellung der Parameter, Drehen des Potentiometers im Uhrzeigersinn erhöht die Empfindlichkeit, drehen entgegen dem Uhrzeigersinn reduziert die Empfindlichkeit. Kapazitive Näherungsschalter der jüngsten Generation verfügen außerdem über eine IO-Link-Verbindung zur Parametrierung.

Konstruktion für bündige und nicht bündige Montage

Alle kapazitiven Näherungssensoren sind bezüglich ihrer Konstruktion für eine bündige oder eine nicht bündige Montage ausgelegt und so klassifizierbar. Sensoren für bündige Montage verfügen als Konstruktionsmerkmal über ein Metallband, das den Messfühler umschließt. Dies vereinfacht die Ausrichtung des Sensors und führt zu einem konzentrierteren elektrischen Feld.

Die Konstruktion des Sensors für die bündige Montage ermöglicht den flachen Einbau in umgebendes Material, ohne Fehlauslösungen zu verursachen. Kapazitive Näherungssensoren für bündige Montage eignen sich aufgrund ihres stark konzentrierten elektrischen Feldes optimal zur Erfassung von Materialien mit geringer Dielektrizitätskonstante. Sie eignen sich besonders dann, wenn Sensoren für nicht bündige Montage Objekte nicht zuverlässig erkennen.

Bei den Sensoren für die nicht bündige Montage fehlt den Messfühlern das umschließende Metallband und so haben sie ein schwächer konzentriertes elektrisches Feld. Viele Sensoren für nicht bündige Montage nutzen Kompensationsfühler, die eine höhere Stabilität des Sensors gewährleisten. Sie bestehen aus Messfühler, Kompensationsfühler und Abschirmung.

Kapazitive Sensoren für die nicht bündige Montage eignen sich dann, wenn sogenannte Kunststoff-Sensor-Aufnahmen beispielsweise bei der Füllstandüberwachung von Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Die Aufnahme wird durch eine Öffnung in einem Tank montiert, und der Sensor wird in der Aufnahme positioniert. Der Sensor erfasst die im Tank enthaltene Flüssigkeit durch die Wand der Sensor-Aufnahme.

Das elektrische Feld eines Sensors für nicht bündige Montage ist weniger konzentriert als das eines Sensors für bündige Montage. Dadurch eignen sich die Sensoren für die bündige Montage gut zur Erfassung von Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante oder zur Unterscheidung zwischen Materialien mit großen und geringen Konstanten. Für bestimmte Objekt-Materialien weisen kapazitive Näherungssensoren für nicht bündige Montage größere Schaltabstände auf als Versionen für bündige Montage.

Die Ausführungen für nicht bündige Montage sind mit einem Kompensationsfühler ausgestattet, der es ermöglicht, Nebel, Staub, kleinere Verunreinigungen und feine Öltropfen oder Wassertropfen, die sich auf dem Sensor ansammeln, zu ignorieren. Der Kompensationsfühler macht den Sensor außerdem beständig gegen Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit.

Was ist gemäß Norm zu beachten

Wie bei induktiven Näherungssensoren ist auch ein Standardobjekt für kapazitive Näherungssensoren definiert. Es handelt sich um ein quadratisches Stück aus unlegiertem Weichstahl mit 1 mm Dicke und Seitenlängen, die dem Durchmesser der Schaltfläche oder aber dem 3-fachen Wert des Schaltabstands entsprechen, abhängig davon, welcher Wert größer ist. Die Norm schreibt vor, dass das Objekt geerdet wird. In einer typischen Applikation muss das Objekt jedoch nicht geerdet sein.

Dielektrizitätskonstanten bestimmen die Kapazitätsänderung

Materialien mit höheren Werten für die Dielektrizitätskonstante sind einfacher zu erfassen als solche mit geringeren Werten. Dabei stellen Wasser und Luft dielektrische Extremfälle dar. Ein kapazitiver Näherungssensor spricht sehr empfindlich auf Wasser mit einer Dielektrizitätskonstante von 80 an, sodass er sich ideal für Füllstandsmessungen eignet. Der gleiche Sensor würde jedoch nicht auf Luft mit einer Dielektrizitätskonstante von 1 ansprechen. Bei der Erkennung von Alkohol oder Mehl durch eine Glaswand hindurch ist folgendes zu beachten: Alkohol wird durch eine Glaswand hindurch erkannt, Mehl jedoch nicht. Grundsätzlich ist es sinnvoll, jede Applikation im Vorfeld zu erproben.

Welche Auswirkungen haben Umgebungseinflüssen

Jedes beliebige Material, das in das elektrostatische Feld eines kapazitiven Näherungssensors eindringt, kann ein Ausgangssignal auslösen. Dies schließt auch Dunst, Staub oder sonstige Verunreinigungen auf der Schaltfläche des Sensors ein. Der Einsatz von Kompensationselektroden innerhalb des Messfühlers unterstützt die Stabilität eines Sensors vor allem für die nicht bündige Montage. Das Kompensationsfeld hat außerhalb des Sensors keine große Ausdehnung. Wenn das Objekt in den Erfassungsbereich eindringt, bleibt das Kompensationsfeld unverändert. Befinden sich Verunreinigungen direkt auf der Schaltfläche des Sensors, so sind Sensor- und Kompensationselektrode betroffen. Der Sensor erkennt diese Kapazitätsänderung nicht und erzeugt folglich kein Ausgangssignal, da sich die Kapazität des Sensors im gleichen Verhältnis erhöht hat wie die Kapazität der Kompensationselektroden.

Zu den Vorteilen kapazitiver Näherungssensoren gehört die Eigenschaft, sowohl metallische, nicht metallische Objekte sowie Flüssigkeiten oder Feststoffe zu erfassen. Die Sensoren eignen sich auch, wenn sie in Schutzgehäuse eingebaut werden und dabei Objekte durch Kunststoffe hindurch erfassen. Zu den Nachteilen gehört der geringe Schaltabstand, der meist bis zu 2,5 cm beträgt und vom Material des Objekts abhängt. Kapazitive Sensoren sind empfindlich hinsichtlich der umgebungsbedingten Einflüsse. So kann zum Beispiel Feuchtigkeit das Sensorverhalten beeinflussen. Eine selektive Erkennung bestimmter Objekte ist kaum möglich. ge

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