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Näherungsschalter
1
Näherungsschalter,
Kapazitive Sensoren
1
.2
Näherungsschalter,
Magnetfeldsensoren
1
.3
Näherungsschalter,
Magnetfeldsensoren,
Sensoren
1
.3.1
Näherungsschalter,
Magnetfeldsensoren,
Zubehör
1
.3.2
Näherungsschalter,
Kapazitive Sensoren,
zylindrisch
1
.2.1
Näherungsschalter,
Kapazitive Sensoren,
quaderförmig
1
.2.2
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Einleitung Kapazitive Sensoren
Kapazitive Sensoren erkennen sowohl metallische, als auch nichtmetal-
lische Zielobjekte wie zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Holz. Je nach
Größe und Materialbeschaffenheit des Zielobjektes sowie der Baugröße
und der Einbaubedingungen des Sensors, können Schaltabstände zwi-
schen 1mm und 50mm realisiert werden.
Kapazitive Näherungsschalter können als „Durchblicker-Sensoren“ zur
Erkennung von wässrigen Medien oder Granulat verwendet werden. Da-
bei reagieren sie auf den Inhalt eines dünnwandigen und elektrisch-nicht-
leitenden Behälters aus Glas oder Kunststoff. Diese Funktion wird durch
eine Erhöhung der Summenkapazität, bestehend aus Behälterwand und
Füllmedium realisiert (siehe auch „Funktionsbeschreibung kapazitive Nä-
herungsschalter“). Die Durchblickerfunktionalität kapazitiver Sensoren
ermöglicht eine Durchfluss- oder Füllstandskotrolle von flüssigen Medien
und Schüttgütern ohne mit diesen selbst in Kontakt treten zu müssen.
Besondere technische Eigenschaften kapazitiver Sensoren sind:
•
Reagieren sowohl auf elektrisch leitende als auch isolierende
Materialien
•
(Eisenmetalle, NE-Metalle, Glas, Holz, Kunststoffe sowie Öl und
wässrige Lösungen)
•
Schaltabstand des Sensors an Objekt- und Einbaueigenschaften
anpassbar
•
Können auch als „Durchblicker“ durch undurchsichtige, nichtleitende
Behälterwände eingesetzt werden
Gängige Applikationen für kapazitive Sensoren sind:
•
Anwesenheitskontrolle von Papier, Holz-, Glas- oder
Kunststoffmaterialien
•
Füllstandskontrolle flüssiger Medien und Schüttgüter (Pellets,
Tabletten, Granulate, Toner)
•
Durchflusskontrolle an Kunststoffrohren und Schläuchen
Übliche Einsatzbereiche für kapazitive Sensoren sind:
•
Druck- und papierverarbeitende Industrie
•
Verpackungs- und Lebensmittelindustrie
•
Pharmazie, Chemie- und Prozesstechnik
•
Holz- und Kunststoffverarbeitung
•
Automobilbau
Funktionsbeschreibung
Der kapazitive Näherungsschalter verfügt über eine Sensorelektrode
(aktive Fläche) und einen Abschirmring. Die Sensorelektrode ist die ak-
tive Fläche des Sensors und sendet ein elektrisches Wechselfeld aus,
das mit der Umgebung als Gegenpotential eine Kapazität ausbildet
(=Kondensatorprinzip). Nähert sich ein Schaltbetätiger der aktiven Sen-
sorelektrode an, so verändert er das Gegenpotential. Die Kapazität zwi-
schen Sensor und Schaltfahne steigt an. Diese Veränderung der äußeren
Kapazität wird mit einem sensorinternen Referenzwert verglichen. Bei
Überschreitung des Referenzwertes wird der Sensor betätigt und liefert
ein Umschaltsignal am Sensorausgang. Der äußere Schirmring bündelt
das elektrische Feld der Sensorelektrode und reduziert dadurch eine
Einflussnahme der Einbausituation auf den Schaltabstand des Sensors.
S
Bild 1: Prinzip d s kapazitiven Nä rungs chalters
Schaltfahne Sensorelektrode
Abschirmung
Der Nennschaltabstand s n eines kapazitiven Näherungsschalters wird
auf ein geerdetes Metallobjekt bestimmter Größe bezogen. Im Vergleich
dazu ist die Änderung der Kapazität bei nichtleitenden Targetmateriali-
en kleiner, weshalb das Objekt zur Betätigung des Schalters näher an
die Sensorelektrode herangeführt werden muss. Wie groß der konkrete
Schaltabstand ist, hängt von der Elektrodenfläche, der Größe und dem
Material (Permittivität) des zu detektierenden Objektes sowie der Einbau-
situation des Sensors ab. Je niedriger die Permittivitätszahl des jeweili-
gen Targetmaterials bei sonst vergleichbaren geometrischen Einbaube-
dingungen ausfällt, desto kleiner ist der erreichbare Schaltabstand. Bei
den meisten kapazitiven Näherungsschaltern ist die Empfindlichkeit mit
Hilfe eines Potentiometers am Sensor in Grenzen einstellbar. So kann
der werksseitig voreingestellte Schaltabstand noch nachträglich an das
Objektmaterial und die Einbausituation des Sensors angepasst werden.
Zusammenhang zwischen Materialkonstanten und
Schaltabstände
Der Nennschaltabstand s n eines kapazitiven Näherungsschalters wird
unter Verwendung eines geerdetes Metallobjekts bestimmter Größe und
unter definierten Einbaubedingungen (bündig, nicht bündig) werkseitig
voreingestellt. Kommen bei sonst gleichbleibenden Geometrien des Ob-
jektes und Einbaubedingungen des Sensors, andere Materialien zum
Einsatz, so reduziert sich der voreingestellte Schaltabstand. Die unten
stehende Tabelle enthält Größenordungen von materialabhängigen Di-
elektrizitätskonstanten und zu erwartenden Reduktionsfaktoren auf den
Nennschaltabstand.
Material
Dielektrizität
e
r
Reduktionsfaktor
Geerdete Metallplatte
>100…10000
1
Wasser
80
1
Alkohol
22
0,75
Glas
5..16
0,6
Keramik
4..7
0,5
PVC
2,3..3,4
0,45
Holz (trocken)
3..7
0,3
Öl
2,6..2,9
0,28
Papier (trocken)
1,6..2,6
0,25
Luft
1
0
Die Werte in der Tabelle sind Anhaltswerte ohne Anspruch auf physika-
lische Exaktheit.
Spezialanwendung - Durchblickerfunktionalität
Behälterwand
(elektrisch nichtleitend)
Sensor
(z.B. F46)
ε
r Medium
≥
ε
r Wand
ε
r Luft
≤
ε
r Wand
Füllmedium
Luft
Sensor
betätigt
Sensor
nicht-betätigt
Die Durchblicketfunktionalität kapazitiver Näherunsgschalter beruht auf
der Änderung der Summenkapazität des zu detektierenden Mediums.
Der Begriff Durchblicker ist in diesem Zusammenhang weniger im op-
tischen Sinne zu begreifen, indem eine bestimmte Reichweite zu über-
brücken ist. Vielmehr blendet ein unempfindlicherer Sensor die Behäl-
terwand im Sinne eines dielektrischen Gleichanteils aus (linke Skizze,
Sensor reagiert gerade nicht auf die Behälterwand). Steigt nun das Füll-
medium im Behälter über die Elektrodenmitte des Sensors an, so ändert
das die elektrische Leitfähigkeit des Systems und führt zur Betätigung
des Sensors.
Näherungsschalter