Ein Kapazitiver Sensor mit Kabelanschluss
Ein Kapazitiver Sensor beziehungsweise Kapazitiver Näherungsschalter
löst ohne mechanischen Kontakt bereits durch Annäherung eines Objektes
ein binäres Signal aus. Die Besonderheit des Kapazitiven Sensors liegt
zudem darin, dass er nicht nur leitende Materialien wie Metalle
erkennt, sondern alle Stoffe mit einer höheren Dielektrizität als
Luft. Darunter fallen zum Beispiel Wasser, Kunststoff, Glas und sogar
menschliche Haut.
Aufgrund höchster Genauigkeit bei universeller Funktionalität kann
ein Kapazitiver Sensor in beinahe allen Industriezweigen
verschiedenste Aufgaben erfüllen wie Dickenmessung, Positionsmessung
oder auch Füllstandskontrollen.
Ein großer Vorteil Kapazitiver Näherungsschalter ist, dass durch das
nicht-mechanische Auslösen Kontaktabbrand und ähnliche
Verschleißerscheinungen ausgeschlossen werden. Hersteller geben
deswegen eine Lebensdauer bis zu 50 Millionen Zyklen an.
Grafik: Skizze des Messvorgangs eines Kapazitiven Sensors
Ein Kapazitiver Näherungsschalter basiert auf dem Prinzip eines
elektrischen Kondensators. Vereinfacht ausgedrückt bilden zwei
Elektroden, die Mess- und die Schirm-Elektrode, die zwei
Kondensatorplatten. Dadurch wird auf einer Seite des Sensors, der
sogenannten aktiven Fläche, ein elektrisches Feld aufgebaut. Sobald
ein Objekt in dieses Feld eintritt, verändert es die Kapazität des
Kondensators. Dies wird durch einen nachgeschalteten Demodulator
erfasst und in ein analoges Signal umgewandelt.
Im Gegensatz zu Induktiven Näherungsschaltern funktionieren
Kapazitive Sensoren auch bei nicht-leitenden Stoffen mit größeren
Dielektrizitätskonstanten als Luft (quasi allen Feststoffen und
Flüssigkeiten). Auch hier sorgt das Einbringen des Materials in das
elektrische Feld für eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators.
- Schirmelektroden
- Messelektrode
- Messobjekt
Welche Spezifikationen muss ich beim Kauf beachten?
Der Anschluss
Hier besteht die Wahl zwischen Geräten mit Kabel oder solchen mit
Steckanschlüssen (vorwiegend 3-, 4- und 6-polige Standardstecker M12
oder M8). Letztere werden über Steckverbindungen angeschlossen.
Der Ausgang
PNP oder NPN? Der europäische Standard lautet PNP, der asiatische
NPN. Der Unterschied: Bei PNP-Schaltungen ist "Plus" der
Schaltdraht, bei NPN-Schaltungen ist es "Null".
Die Bündigkeit
Man kann zudem zwischen bündigen und nicht bündigen Schaltern
unterscheiden. Bündige Näherungssensoren schließen flach mit der
umliegender Oberfläche ab, während nicht bündige zum störungsfreien
Betrieb einen freien Raum seitlich der aktiven Fläche benötigen.
Die Kontaktart
Ist ein Kapazitiver Näherungsschalter als "Schließer"
ausgezeichnet, dann wird er bei der Auslösung einen Stromkreis
schließen, ihn also verbinden. Ein "Öffner" bewirkt das
Gegenteil und trennt einen bestehenden Stromkreis auf. Der
"Wechsler" sorgt immer für eine Veränderung des bestehenden Zustandes.
Die Bauform & Größe
Kapazitive Näherungssensoren gibt es in runder (M12, M18, M22, M30)
oder in Quaderform und mit Abmessungen von wenigen Millimetern oder
über 10 Zentimetern Länge zu kaufen. Unter anderem die Montage ist
hier von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel lassen sich runde
Sensoren per Sensorenhalter
fixieren, während andere sogar angeklebt
werden können.Auch den geplanten Einsatz gilt es zu berücksichtigen.
Diese
Sensoren sind beispielsweise speziell für die Nutzung als mit der
Hand auszulösende Start-/Stopptaster ausgelegt und können mithilfe von
Symbolscheiben
ihrer Bedeutung zugeordnet werden.
Ganz allgemein gilt bei der Wahl jedoch: Ein größerer Sensor
bedeutet einen höheren Schaltabstand.
Der richtige Schaltabstand: Sensibilität
& Dielektrizitätskonstante
Eine der wichtigsten Kaufüberlegungen ist der benötigte
Schaltabstand, also die Entfernung, bei der die Messung zu einem
Ausschlag führen soll. Generell bieten Kapazitive Näherungsschalter
mit bis etwa 40 Millimeter deutlich kleinere Abstände als Induktive Sensoren.
Übrigens: Analog zum Reduktionsfaktor von metallischen Stoffen bei
Induktiven Näherungsschaltern verändert sich auch beim Kapazitiven
Gegenpart der Schaltabstand je nach Beschaffenheit des auslösenden Objekts.
Bei Kapazitiven Näherungsschaltern ist die Bandbreite sogar noch
viel größer, da sehr verschiedene Stoffe vom Sensor wahrgenommen
werden. Generell gilt: Eine höhere relative Dielektrizitätskonstante
sorgt für ein höhere elektrische Kapazität und damit eine schnellere
Auslösung des Schalters. Außerdem kann eine Veränderung der Temperatur
oder der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Schalter den benötigten
Abstand beeinflussen.
Tabelle: Dielektrizitätskonstanten häufiger Werkstoffe
Fazit
Kapazitive Sensoren bieten die Möglichkeit zur Messung von Abständen
oder Füllständen, können als abbrand-freie Start-/Stopptaster mit der
Hand ausgelöst werden und helfen auch bei der Werkzeug-Positionierung,
ganz unabhängig davon, ob die zu erfassenden Stoffe leitend sind oder
nicht. Der Alleskönner ist deshalb aus kaum einem Betriebsablauf
wegzudenken und begeistert richtig eingesetzt auf sehr lange Zeit.
