Berührungslose Tradition

Näherungsschalter – Auch 50 Jahre nach seiner Erfindung bewährt sich der induktive Näherungsschalter als Industriestandard für das berührungslose Schalten.

11. November 2008

Ein rundes Jubiläum feiert in diesem Jahr der induktive Näherungsschalter: Dieser berührungslos arbeitende Schalter wurde vor genau 50 Jahren im Labor von Pepperl + Fuchs in Mannheim erfunden und ist damit eine der ältesten elektronischen Komponenten in der industriellen Automatisierung.

Am Anfang der Entwicklung der heute weitverbreiteten Standardgeräte stand ein Auftrag des Chemiekonzerns BASF, der einen eigensicheren Stromkreis ohne mechanische Kontakte schalten wollte. Gefordert war dazu ein robustes Bauteil, das auch nach vielen tausend Schaltspielen bei kleinsten Schaltströmen in der aggressiven Atmosphäre eines Chemiewerks zuverlässig seinen Dienst tut. Als gelernte Radiotechniker wussten Walter Pepperl und sein Mitarbeiter Wilfried Gehl, was passiert, wenn sich ein metallisches Objekt einem Spulensystem nähert. Mit dem zehn Jahre zuvor erfundenen Bipolar-Transistor stand zudem ein kompaktes Bauteil zur Verfügung, mit dem sich die Bedämpfung eines Schwingkreises auf einfache Weise auswerten und in ein Schaltsignal umwandeln lässt.

In den ersten Jahren blieb die Anwendung des induktiven Näherungsschalters auf die Chemie-Industrie beschränkt, da hier die Probleme mit dem Verschleiß mechanischer Kontakte aufgrund der geringen Ströme ohne den reinigenden Kontaktabbrand am dringendsten waren. Schon zu Beginn der 60er-Jahre jedoch lernte man die nahezu unbegrenzte Lebensdauer dieses Schalters auch in anderen Automatisierungsanwendungen zu schätzen. Pepperl + Fuchs präsentierte deshalb 1968 eine induktive Ausführung des Rollenhebel-Endschalters nach DIN 43 694. Das Gerät war befestigungskompatibel zu seinem mechanischen Pendant und bot wahlweise fünf verschiedene Positionen für die aktive Sensorfläche, sodass sich alle möglichen Anfahrrichtungen des mechanischen Schalters nachempfinden ließen.

Boom durch Automatisierung

Den Durchbruch in großen Stückzahlen erlebte der induktive Näherungsschalter in den 70er-Jahren als Folge der zunehmenden Automatisierung der Fertigungsprozesse in Europa, speziell in Deutschland. Seit den 80er-Jahren entwickeln die verschiedenen Hersteller zudem immer kleinere Sensoren mit immer größeren Schaltabständen. Einen wesentlichen Impuls für diese Entwicklung gab die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronik. Erhebliche Vorteile brachten hier ab etwa 1985 die Dickschicht- und später die SMD-Technik, aber auch der Einsatz integrierter Schaltkreise half die Geräte weiter zu miniaturisieren.

Maßgeblich für den Siegeszug des Näherungsschalters war auch seine Zuverlässigkeit und Robustheit im industriellen Einsatz. So sind seit etwa 1985 magnetfeldfeste Schalter für Anwendungen im Rohbau der Automobilindustrie bekannt. Diese Schalter können in unmittelbarer Umgebung von Schweißgeräten betrieben werden und lassen sich durch die Schweißströme nicht stören.

Robust und Dicht

Eine große Herausforderung an die Widerstandsfähigkeit von induktiven Näherungsschaltern stellte seit den frühen 80er-Jahren auch ihr Einsatz für die Abfrage der Kolbenposition in einem Hydraulik-Zylinder, bei der die Sensoren in die Wand des Druckbehälters eingeschraubt werden. Die aktive Sensorfläche ragt dabei in den Zylinder hinein und muss deshalb hohen Drücken und erheblichen Druckschwankungen widerstehen. Zudem durfte sie aus funktionalen Gründen nicht aus Metall sein. Am Ende führte die Diskussion über eine bessere Dichtheit der Geräte sogar zur Klassifizierung der Schutzklasse IP 69K, die inzwischen für Sensoren im rauen Einsatz zum Standard geworden ist.

Ein Nachteil der induktiven Sensoren ist die Tatsache, dass sie nur metallische Targets erkennen und zudem normalerweise bei verschiedenen Metallen unterschiedliche Schaltabstände bieten. Schon in den späten 80er-Jahren arbeiteten deshalb viele Hersteller an sogenannten Reduktionsfaktor-1- Schaltern, die auf alle Metalle mit dem gleichen Schaltabstand reagieren. Die ersten derartigen Geräte kamen in den frühen 90er-Jahren auf den Markt. Seither kommen sie vor allem bei Anwendungen im Bereich des Automobil-Rohbaus zum Einsatz.

Ein zentrales Thema war in den 90er-Jahren auch die Integration von Feldbusschnittstellen in den Sensor. Zwar kamen in der ersten Hälfte der 90er-Jahre Sensoren auf den Markt, die eine AS-i-Schnittstelle enthielten und somit direkt am Feldbus angeschlossen werden konnten, doch diese Technologie hat sich in der Praxis bis auf wenige Ausnahmen nicht durchgesetzt: Die Vielfalt der angebotenen Sensorbauformen war einfach zu groß, zudem ließ sich eine preiswerte und zuverlässige elektrische Bus-Verbindung direkt auf dem kompakten Sensorgehäuse nicht praxistauglich umsetzen.

Entscheidend für den Siegeszug des Näherungsschalters ist also zum einen, dass das Sensorelement Spule sich preiswert herstellen und auswerten lässt. Zum anderen sind die Sensoren äußerst robust und einfach in der Anwendung. Verschmutzung, Umwelteinflüsse aller Art haben kaum einen Einfluss auf die Funktion. Das Grundprinzip des Näherungsschalters nutzen deshalb auch einige andere Anwendungen in der Automatisierungstechnik, wie beispielsweise die analoge Positionsmessung. Dafür werden mehrere Spulen in einer Reihe aufgebaut und die horizontale Verschiebung eines Metall- Targets mit einer Auflösung im Bereich von zehntel Millimeter genau vermessen. Ein Mikrocontroller wertet hierzu die durch das Target hervorgerufene Bedämpfung der verschiedenen Spulen aus und errechnet daraus die genaue Position. Das Messergebnis ist dabei unabhängig von der Präzision der vertikalen Führung des Targets.

Dr.-Ing. Peter Adolphs, Pepperl + Fuchs/bt

Erschienen in Ausgabe: 08/2008