Kapazitive Sensoren – Allgemeine Beschreibung Funktionsweise

Kapazitive Sensoren – Allgemeine Beschreibung
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.
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.
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.
Glossar
Anwendungen
Schaltabstand S
die Distanz zwischen der aktiven Sensorfläche und dem Objekt bei
der Signaländerung bei sich annäherndem Objekt.
Abhängig von Form, Größe und Material.
Die kapazitiven Näherungsschalter eignen sich zur Steuerung und
Überwachung von Maschinenprozessen und als Signalgeber für
Zählaufgaben, wo Metalle und Nichtmetalle zur Verfügung stehen;
zur Füllstandsmeldung in Behältern und durch Behälterwandungen
hindurch, wo flüssige, pulverisierte oder körnige Stoffe zu erfassen
sind.
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.
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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
Objektfläche
Schaltabstand
Sin %
ø – Objekt
in mm
F in mm2
S in mm
1,50
1,24
0,8
0,61
0,31
0,20
0,15
0,05
0,03
100
100
100
100
94
85
82,5
67,5
57,5
22
20
16
14
10
8
7
4
3
380
314
201
154
79
50
38
13
7
8
8
8
8
7,5
6,8
6,6
5,4
4,6
SensoPart Industriesensorik GmbH, Am Wiedenbach 1, D-79695 Wieden
Kapazitive Sensoren – Allgemeine Beschreibung
Beeinflussungsarten
Einfluss der
Umgebungsbedingungen
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, CA 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.
Metalle erreichen aufgrund ihres sehr hohen Leitwerts die größten
Schaltabstände. Reduktionsfaktoren für unterschiedliche Metalle –
wie bei induktiven Sensoren – sind zu berücksichtigen.
Schaltabstand und Dielektrizitätskonstante
Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, ist der Schaltabstand (Sr)
von der Dielektrizitätskonstanten (r) des Erfassungsobjektes
abhängig. Bei metallischen Objekten wird der maximale Schaltabstand (100 %) erreicht, bei anderen Materialien reduziert er sich in
Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten der Erfassungsobjekts.
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 (Fig. 2) des Isolators.
Die Dielektrizitätskonstante ist für alle festen und flüssigen Stoffe
größer als für Luft (Luft = 1; siehe Tabelle). 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 (Wasser = 80!)
Metallischer
Leiter
B
-
A
+
Ca Cb
+A
-B
Fig. 1
Dielektrikum
B
-
A
+
Ca C b
+A
In der nebenstehen Tabelle 1 sind die Delektrizitätskonstanten 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.
Tabelle 1
Dielektrizitätskonstanten
verschiedener Stoffe
r
Dielektrizitätskonstanten
verschiedener Stoffe
r
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
Polyprobylen
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
-B
Fig. 2
SensoPart Industriesensorik GmbH, Am Wiedenbach 1, D-79695 Wieden
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