Systembeschreibung

Kapazitive Sensoren
Systembeschreibung
Funktionsweise
Der berührungslos wirkende kapazitive Sensor wandelt eine
pro­duktionstechnisch interessante Größe (Distanz oder Füllstand)
in ein weiterverwertbares Signal um. Die Funktion beruht auf
der Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung seiner
aktiven Zone. Der Sensor besteht in seinem Grundaufbau aus
einem RC-Oszillator als Aufnehmer, einem Demodulator und
einer Ausgangsstufe.
Die Annäherung von Metallen oder Nichtmetallen in die aktive
Zone des kapazitiven Sensors bewirkt eine Kapazitätsänderung,
wodurch der RC-Oszillator zu schwingen beginnt. Dies bewirkt,
dass die dem Oszillator nachgeschaltete Triggerstufe kippt und
der Schaltverstärker seinen Ausgangszustand ändert. Die Schaltfunktion am Ausgang ist je nach Gerätetyp Schließer, Öffner oder
Wechsler.
Einbau
Bündige Version
Sensoren mit einem geradlinigen elektrischen Feld. Diese Geräte
tasten Festkörper (z.B. Wafer, Bauteile, Leiterplatten, Hybride,
Kartonagen, Papierstapel, Flaschen, Kunststoffblöcke und -platten)
auf Distanz oder Flüssigkeiten durch eine Trennwand aus Glas
oder Kunststoff (Dicke max. 4 mm) ab.
Nicht bündige Version
Sensoren mit einem kugelförmigen elektrischen Feld. Diese
Geräte sollen mit ihrer aktiven Fläche das aktive abzutastende
Produkt (z. B. Granulat, Sand, Öl oder Wasser) berühren.
Größenkorrekturfaktor
Für nicht plane und bezüglich der aktiven Fläche kleinere Ob­jekte
erhält man die folgenden Schaltabstände in Ab­hängig­keit von
der normierten Oberfläche F/F0 mit F0 = Sensorstirnfläche
(aktive Fläche) und F = Stirnfläche des abzu­tas­ten­den Objektes.
Die Angaben beziehen sich auf bündige Sen­soren und als lange,
dünne Stäbe ausgebildete Objekte.
Normierte
Schaltabstand
ø – Objekt
F in mm2
Objektfläche
S in %
in mm
S in mm
1,50
100
22
380
8
1,24
100
20
314
8
0,8
100
16
201
8
0,61
100
14
154
8
0,31
94
10
79
7,5
0,20
85
8
50
6,8
0,15
82,5
7
38
6,6
0,05
67,5
4
13
5,4
0,03
57,5
3
7
4,6
Tabelle 1
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Die Dielektrizitätskonstante ist für alle festen und flüssigen Stoffe
größer als für Luft (εLuft = 1; siehe Tabelle 2). In gleicher Weise
wirken Objekte aus nichtleitenden Stoffen auf die aktive Fläche
eines kapazitiven Sensors, die Koppelkapazität wird erhöht. Stoffe
mit großer Dielektrizitätskonstante erzielen hohe Schaltabstände.
Beim Abtasten organischer Materia­lien (Holz, Getreide, etc.) ist
zu beachten, dass der erzielbare Schaltabstand sehr stark von ihrem Wassergehalt beeinflusst wird (εWasser = 80!).
Anwendungen
Die kapazitiven Näherungsschalter eignen sich zur Steuerung
und Überwachung von Maschinenprozessen und als Signalgeber
für Zählaufgaben, wo Metalle und Nichtmetalle zur Verfügung
stehen, ebenso zur Füllstandsmeldung in Behältern und durch
Behälterwandungen hindurch, wo flüssige, pulverisierte oder
­körnige Stoffe zu erfassen sind.
Beeinflussungsarten
Metallischer
Leiter
Fig. 1
C a Cb
Ca Cb
+A
+A
-B
Dielektrikum
B
-
A
+
B
-
A
+
B
-
A
+
-B
Fig. 2
C a Cb
+A
-B
Kapazitive Sensoren werden sowohl von leitenden als auch von
nichtleitenden Objekten betätigt. Objekte aus leitfähigen Stoffen
bilden zur aktiven Fläche des Sensors eine eigene Gegenelektrode.
Diese bildet mit den Elektrodenflächen A und B zwei Kapazitäten, C A und CB, die in Reihe geschaltet sind (Fig. 1). Die Kapazität dieser Reihenschaltung ist stets größer als die Kapazität der
unbedeckten Elektrode A und B.
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Metalle erreichen aufgrund ihres sehr hohen Leitwerts die
größ­ten Schaltabstände. Reduktionsfaktoren für unterschiedli­che
Metalle – wie bei induktiven Sensoren – sind zu berücksichtigen.
Betätigung durch Objekte aus nichtleitenden Stoffen (Isolato­ren):
Bringt man einen Isolator zwischen die Elektroden eines Kondensators, so erhöht sich die Kapazität in Abhängigkeit von der
Dielektrizitätskonstante ε (Fig. 2) des Isolators.
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Kapazitive Sensoren
Systembeschreibung
Einfluss der Umgebungsbedingungen
Schaltabstand und Dielektrizitätskonstante
Der Schaltabstand (Sr) ist von der Dielektrizitätskonstanten (εr)
des Erfassungsobjektes abhängig. Bei metallischen Objekten wird
der maximale Schalt­abstand (100 %) erreicht, bei anderen Materialien reduziert er sich in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten des Erfassungsobjekts.
In der untenstehenden Tabelle 2 sind die Dielektrizitätskonstanten einiger wichtiger Stoffe aufgeführt. Aufgrund der hohen
Dielektrizitätszahl von Wasser ergeben sich bei Holz relativ
große Schwankungen. Feuchtes Holz wird demnach von kapazitiven Sensoren erheblich besser erfasst als trockenes.
Dielektrizitätskon­stanten (εr) verschiedener Stoffe
Luft, Vakuum
1
Plexiglas
3,2
Teflon
2
Araldit
3,6
Holz
2 … 7
Bakelit
3,6
Paraffin
2,2
Quarzglas
3,7
Petroleum
2,2
Hartgummi
4
Terpentinöl
2,2
Ölpapier
4
Trafoöl
2,2
Preßspan
4
Papier
2,3
Porzellan
4,4
Polyäthylen
2,3
Hartpapier
4,5
Polypropylen
2,3
Quarzsand
4,5
Kabelvergussmasse
2,5
Glas
5
Weichgummi
2,5
Polyamid
5
Silikongummi
2,8
Glimmer
6
Polyvinylchlorid
2,9
Marmor
8
Polystyrol
3
Alkohol
25,8
Zelluloid
3
Wasser
80
Tabelle 2
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Objekterkennung
Seite 660
Kapazitive Sensoren (z.B. KL 18) ermitteln die Stückzahl des vereinzelten Schüttguts durch Behälterwände von bis zu 4 mm Dicke
hindurch.
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Füllstandskontrolle
Seite 656
Füllstandskontrolle
Seite 658
Der kapazitive Sensor (z.B. KL 08) erkennt den Füllstand eines
Vorratsbehälters für Kühlmittelflüssigkeit.
Zur Füllstandskontrolle des mit Tabletten gefüllten, durchsichtigen
Behälters wird ein kapazitiver Sensor (z.B. KD 12) eingesetzt.
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