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Ratgeber

Kapazitive Sensoren und Näherungsschalter

Stromkreise schalten, ohne einen Schalter zu berühren – in zahlreichen automatisierten Industrieprozessen gilt dies als Voraussetzung. Die Lösungen liegen häufig im Einsatz sogenannter Näherungsschalter. Die sind deutlich einfacher konstruiert als beispielsweise Lichtschranken. Es gibt sie sowohl mit induktivem als auch mit kapazitivem Trigger. 

Wie kapazitive Sensoren aufgebaut sind, wie sie funktionieren und worauf es bei der Beschaffung ankommt, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.



Aufbau und Funktionsprinzip kapazitiver Sensoren

1. Schirmelektroden / 2. Messelektrode / 3. Messobjekt

Kapazitive Näherungsschalter – oft auch als kapazitive Sensoren bezeichnet – reagieren auf Änderungen des von ihnen ausgehenden elektrischen Feldes. Der Kontakt wird ausgelöst, wenn er die Anwesenheit eines Objekts in der nahen Umgebung erkennt.
Der Aufbau ist recht einfach: Ein kapazitiver Sensor besteht aus einem Kondensator, einem Oszillator, einer Verstärkerschaltung sowie aus einer Ausgangsstufe. Letztere ähnelt einem Relais, es gibt Öffner, Schließer und Wechsler.  

Das Funktionsprinzip beruht auf der kontinuierlichen Frequenzmessung des mit dem Kondensator verbundenen Oszillators, der Kondensator fungiert somit als eigentlicher Sensor. Beim Anlegen einer durch den Oszillator erzeugten pulsierenden Spannung speichert der Kondensator Ladung und Energie in einem elektrostatischen Feld zwischen den beiden elektrischen Leitern. Diese werden als Schirmelektrode und Messelektrode bezeichnet. 

Bei Annäherung einer metallischen oder nichtmetallischen Substanz in der aktiven Zone der Messelektrode ändert sich der Kapazitätswert. Dies bewirkt automatisch auch eine Änderung der Frequenz des Oszillatorkreises. Die Frequenzänderung wird an die Verstärkerschaltung weitergeleitet, die daraus ein Signal für die Ausgangsstufe umsetzt.



Typische Einsatzbereiche für kapatzitive Sensoren

Kapazitive Sensoren lassen sich zur Erkennung einer Vielzahl von Objekten einsetzen. Am einfachsten zu erkennen sind Objekte mit einer hohen Dichte wie Metalle oder einer hohen Dielektrizitätskonstante wie Wasser. Insgesamt eignen sich feste und flüssige Objekte ebenso wie verschiedene Metalle, Wasser, Holz und Kunststoff.

Im Gegensatz zu induktiven Näherungsschaltern für elektrisch leitfähige Substanzen, ist der Erfassungsbereich kapazitiver Näherungsschalter relativ klein. Dieser sogenannte Schaltabstand reicht von einigen Millimetern bis zu etwa 40 Millimeter. 

Die eigentliche Stärke dieser Sensoren liegt jedoch in Anwendungen, bei denen sie Objekte durch unterschiedlichste Hüllen hindurch erkennen sollen. 

Dazu gehören beispielsweise Objekte in Verpackungen. Kapazitive Sensoren sind wie bereits erwähnt in der Lage, auch nichtmetallisches Material zu erkennen, sie lassen sich zudem so einstellen, dass sie auch unterschiedliche Füllstände von Flüssigkeiten oder festen Materialien erfassen.

Kapazitive Sensoren können demnach das Vorhandensein von Pulvern, Gaskonzentrationen, Gegenständen und Produkten organischer und mineralischer Natur, von Metallen und Nichtmetallen, Feststoffen und Flüssigkeiten überwachen und erkennen, selbst wenn sie vollständig in das Produkt eingetaucht sind. Dazu ist lediglich eine Kalibrierung des Sensors entsprechend dem zu erkennenden Material erforderlich. Die Kalibrierung erfolgt in der Regel durch eine Potentiometer-Einstellung im Steuerkreis, sodass dieser entsprechend der ermittelten Frequenz bei Annäherung des Objekts an den Wirkungsbereich des Sensors arbeiten kann.

Weitere Einsatzbereiche sind die Messung physikalischer Größen wie Geschwindigkeit, lineare und Winkelbeschleunigung eines Objekts, Füllstand von Flüssigkeiten oder Festkörpern, Kraft und Drehmoment oder die direkte Erfassung der Anwesenheit von Personen, Objekten und Flüssigkeiten. 

Zu den Nachteilen dieser Schalter gehören die sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit, die den Schaltabstand erheblich verkürzen können.



Auswahlkriterien für die Beschaffung von kapazitiven Sensoren



Welchen Einfluss hat das Material auf den Schaltabstand?

Die Basis für den Schaltabstand ist die dielektrische Leitfähigkeit einer Substanz. Das hat nichts mit der normalen Leitfähigkeit beispielsweise von Metallen zu tun. Vielmehr geht es um die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder. Ein anderer Begriff für die Dielektrizität ist Permittivität.

Im Bereich kapazitiver Näherungsschalter gilt normale Raumluft als Basiswert für die Dielektrizität, ihre relative Dielektrivitätskonstante beträgt 1. Damit kapazitive Sensoren Materialien erkennen können, muss deren Konstante größer als 1 sein. Papier beispielsweise liegt zwischen 1,2 und 4,0, Glas bei 5,0 bis 7,0 und destilliertes Wasser bei 80,8. Damit die Erkennung funktioniert, sollte einerseits der Sensor möglichst groß sein, die Dielektrozitätskonstante ziemlich hoch und andererseits die Luft weitgehend trocken. Eine Kalibrierung des Näherungsschalters ist somit zwingend erforderlich.

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