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    Ratgeber

    Näherungsschaltern und Näherungssensoren

    Das berührungslose Schalten von Stromkreisen ist in industriellen und gewerblichen Umgebungen nicht mehr wegzudenken. Möglich machen dies Näherungsschalter und Näherungssensoren. Sie reagieren auf die Anwesenheit von Objekten in ihrer unmittelbaren Umgebung und lösen definierte Aktionen aus. Neben Anwendungen im Bereich Personen- und Anlagenschutz finden sich diese Sensoren vor allem im Rahmen automatisierter Produktionsprozesse wie der speicherprogrammierten Steuerung, kurz SPS. In unserem Ratgeber machen wir sie mit den beiden vorherrschenden Technologien vertraut: der induktiven und der kapazitiven Sensorik.



    Das sind Näherungsschalter und Näherungssensoren

    Ein Näherungsschalter beziehungsweise Näherungssensor ist ein elektronisches Gerät, das die Annäherung oder das Vorhandensein von Objekten in der Nähe erkennen oder wahrnehmen kann und dafür keinen physischen Kontakt benötigt.

    Es gibt verschiedene Arten von Näherungsschaltern, zum Beispiel fotoelektrische, die Objekte durch die Unterbrechung eines Lichtstrahls ähnlich einer Lichtschranke erkennen. Magnetische Näherungsschalter wie der Reed-Kontakt reagieren auf die unmittelbare Anwesenheit eines Magneten und schließen dann automatisch einen Stromkreis.

    Die mit am häufigsten eingesetzten Näherungssensoren arbeiten allerdings nach dem induktiven oder kapazitiven Prinzip.



    So funktionieren induktive Näherungsschalter

    Induktive Näherungsschalter nutzen die elektromagnetische Induktion und reagieren auf Wirbelströme. Die Induktion ist definiert als die Änderung des durch einen Leiter fließenden Stroms, die eine Spannung sowohl in dem Leiter als auch in allen benachbarten Leitern induziert. Wirbelstrom wiederum ist der Strom, der in einem Leiter durch ein sich änderndes Magnetfeld induziert wird. Das dabei entstehende Magnetfeld ist entgegengesetzt zu dem Magnetfeld, das den Wirbelstrom erzeugt hat.

    Ein induktiver Näherungsschalter besteht im Wesentlichen aus einer Spule, einem elektronischen Oszillator, einem Erkennungsschaltkreis, einem Ausgangsschaltkreis und dem Anschluss für eine Energiequelle. Der Oszillator wird über eine Gleichstromquelle mit elektrischem Strom versorgt und erzeugt einen Wechselstrom. Wird dieser Strom durch die Induktionsspule geleitet, entsteht an der Sensorfläche ein elektromagnetisches Schwingungsfeld. 

    Gerät ein metallisches Objekt in den Erfassungsbereich des induktiven Näherungssensors, bilden sich im Objekt Wirbelströme, die das Schwingungsfeld des Sensors reduzieren. Liegt die Schwingungsamplitude unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts, löst der Erkennungsschaltkreis des Sensors am Ausgang der Schaltung ein Signal aus.



    So funktionieren kapazitive Näherungsschalter

    Ein kapazitiver Sensor ähnelt einem induktiven Näherungsschalter mit dem Unterschied, dass ein elektrostatisches Feld anstelle eines elektromagnetischen Felds erzeugt wird. Dadurch ist es möglich, sowohl metallische als auch nichtmetallische Objekte wie Kunststoffe, Flüssigkeiten, Papier, Stoff oder Glas zu erfassen.

    Der innere Aufbau ist bis auf die Spule identisch. Statt der Spule enthält der kapazitive Sensor als Sensorfläche eine oder zwei Metallelektroden, die damit sozusagen einen halben beziehungsweise einen kompletten Kondensator bilden. Ein sich näherndes Objekt erzeugt bei zwei Elektroden eine Änderung der Kapazität des Oszillatorschaltkreises. Die Sensorschaltung nimmt diese Änderung auf und löst bei Erreichen eines Schwellenwerts eine Ausgangsänderung aus.

    Besteht die aktive Fläche des kapazitiven Sensors nur aus einer Metallelektrode, verhält sich das eintreffende Objekt wie die andere Elektrode des Kondensators. Das Vorhandensein der zweiten Elektrode ermöglicht dem Sensor die Aufnahme und Ableitung von Wechselstrom. Dabei ändert sich der Stromwert, was wiederum von der Sensorschaltung erfasst wird. Die Ausgangsschaltung zeigt eine Ausgangsänderung an, wenn ein Schwellenwert für die Wechselstromänderung erreicht wird.

    Die Sensorfläche lässt sich für verschiedene Abstände einstellen. Das hilft zum Beispiel bei der Erkennung des Füllstands von Behältern. Außerdem ist eine Anpassung an das Zielmaterial möglich. Basis dafür ist die Dielektrizitätskonstante oder Permittivität. Sie ist ein Maß für die elektrische Polarisierbarkeit eines Dielektrikums. Ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante polarisiert stärker auf ein angelegtes elektrisches Feld als ein Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante, wodurch mehr Energie im Material gespeichert wird.

    Der effektive Erfassungsabstand für Zielmaterialien mit einer größeren Konstante ist größer als der für Zielmaterialien mit einer kleineren Konstante. Beispielsweise kann ein kapazitiver Sensor für Alkohol mit einer Dielektrizitätskonstante von 25 über einen effektiven Erfassungsabstand von 10 Millimeter verfügen, während derselbe kapazitive Sensor für Glas mit einer Dielektrizitätskonstante von 5 einen Erfassungsabstand von lediglich 2 Millimeter besitzt.



    Typische Einsatzbereiche für induktive Näherungsschalter

    Eine der häufigsten und bekanntesten Anwendungen für induktive Sensoren ist die Positionserfassung in mechanisch bewegten Produktionsprozessen. Sie sorgen zum Beispiel für die konsistente Ausrichtung und die Durchlauffunktion beim Befüllen von Behältern.

    Ein gut verarbeiteter und geschützt montierter induktiver Sensor ist im Vergleich zu anderen Sensortypen sehr verschleißfest. In hochhygienischen Prozessen wie der Konservenherstellung wechseln die Produktionslinien regelmäßig zwischen Zutaten und Reinigungslösungen. Obwohl in dieser Situation auch ein mechanischer Endschalter oder Grenztaster eingesetzt werden könnte, erweist sich ein induktiver Sensor als ausfallsicherer.

    Neben der Erkennung der Produkte selbst lassen sich induktive Sensoren auch zur Überwachung der genauen Position von Zahnrädern in Fördersystemen einsetzen. Wenn zum Beispiel der Bediener das Förderband aus irgendeinem Grund anhalten muss, liefern induktive Sensoren zuverlässige Informationen, damit der Prozess schnell und korrekt wieder aufgenommen werden kann.



    Vor- und Nachteile induktiver Schalter

    Vorteile

    • Berührungslose Erkennung

    • Widerstandsfähig gegen die in Industriebereichen üblichen Bedingungen wie Staub und Schmutz

    • Fähig und vielseitig bei der Erkennung von Metallen

    • Günstiger Preis

    • Keine beweglichen Teile, dadurch längere Lebensdauer

    Nachteile

    • Geringer Erfassungsbereich, im Durchschnitt nur bis zu 80 Millimeter Reichweite

    • Kann nur Metallobjekte erkennen

    • Die Leistung kann durch äußere Bedingungen wie extreme Temperaturen beeinträchtigt werden

    • Empfindlich gegenüber Chemikalien



    Typische Einsatzbereiche für kapazitive Näherungsschalter

    Kapazitive Sensoren lassen sich zur Erkennung einer Vielzahl von Materialien einsetzen, darunter Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität oder Feststoffe wie Pulver, Gestein und Metalle.

    So werden kapazitive Sensoren häufig zur Detektion von körnigen oder pulverförmigen Materialien wie Kunststoffgranulat in Trichtern von Spritzgießmaschinen eingesetzt.

    Speziell entwickelte kapazitive Sensoren können sogar explosionsgefährdeten Umgebungen standhalten, sodass sie an Getreidesilos montiert werden können, um Materialien wie Reis, Gerstenmalz, Mais und Sojabohnen zu erkennen.



    Vor- und Nachteile kapazitiver Schalter

    Vorteile

    • Berührungslose Erkennung

    • Eine breite Palette von zu erfassenden Materialien

    • Erkennen von Objekten mit einem breiten Empfindlichkeitsband durch nicht-metallische Wände hindurch 

    • Gut geeignet für den Einsatz in einer industriellen Umgebung

    • Enthält oft ein Potentiometer, mit dem der Benutzer die Empfindlichkeit des Sensors so einstellen kann, dass nur gewünschte Objekte erkannt werden

    • Keine beweglichen Teile, was eine längere Lebensdauer gewährleistet

    Nachteile

    • Relativ geringe Reichweite, obwohl sie sich gegenüber induktiven Sensoren schrittweise erhöht

    • Höherer Preis im Vergleich zu induktiven Sensoren