Gut bei Druck und Hitze

Sensorik

Kapazitivsensorik – Herkömmliche Kapazitivsensoren eignen sich nur bedingt für Einsätze bei hohen Drücken und Temperaturen bei zugleich direktem Kontakt mit dem Medium. Ein neu entwickelter Sensor mit einer aktiven Fläche aus Edelstahl eröffnet hier viele neue Möglichkeiten.

18. Februar 2013

Eine vielfach eingesetzte Gruppe von Sensoren zur Objekt- und Füllstandsmessung in der industriellen Automation sind kapazitive Näherungsschalter. Mit ihrer Hilfe lassen sich metallische oder nicht metallische Objekte sowie Flüssigkeiten, Pulver oder Granulate erkennen, selbst durch Behälterwandungen aus Glas oder Kunststoff hindurch. Sie arbeiten berührungslos, verschleißfrei, sind rückwirkungslos und liefern ein prellfreies Ausgangssignal. Kapazitive Näherungsschalter gelten deshalb als wahre Alleskönner, zumal sie sich von Staub, Sprühnebel, der Oberflächenfarbe oder von Reflexionen nicht beeinträchtigen lassen.

An ihre Grenzen stoßen die vielseitig nutzbaren Sensoren jedoch dann, wenn sie in besonders rauer Umgebung auch über längere Zeit zuverlässig funktionieren müssen, etwa bei gleichzeitig hohen Drücken und Temperaturen, und das auch noch in direktem Kontakt mit dem Medium. Nicht nur Hersteller von Faserverbundwerkstoffen kennen die damit verbundene Problematik.

Empfindliche Messmembran

Die Ursache für diese Schwäche der kapazitiven Sensoren unter bestimmten Einsatzbedingungen ist der Werkstoff der aktiven Fläche an der Spitze der meist zylinderförmigen Sensoren, die üblicherweise aus Kunststoff oder einem anderen, nicht leitenden Material besteht, wie zum Beispiel aus Keramik. Dabei eignen sich die Kunststoffe, wie etwa PTFE (Polytetrafluorethylen) zwar für Temperaturen bis etwa 250 Grad Celsius, allerdings lassen sich mit dem relativ weichen Material keine druckfesten Sensoren realisieren. Keramische Werkstoffe wiederum sind zwar belastbarer und trotzen zugleich hohen Temperaturen bis 800 Grad Celsius – schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist es aber, eine druckfeste Verbindung zwischen der aktiven Fläche und dem Metallgehäuse zu realisieren, und zwar unabhängig davon, ob diese aus Keramik oder Kunststoff besteht. In beiden Fällen wirken sich die unterschiedlichen Materialeigenschaften sehr ungünstig aus, vor allem wenn hohe Temperaturen ins Spiel kommen.

Abhilfe verspricht nun ein neuer hochtemperatur- und druckfester Näherungsschalter im Edelstahlgehäuse mit einer metallischen aktiven Fläche, den der württembergische Sensorikspezialist Balluff vorgestellt hat. Der kapazitive Näherungsschalter der Baureihe HPHT besitzt eine aktive Fläche aus Edelstahl, die Einsätze bei Temperaturen bis 180 Grad Celsius und Drücken bis 150 bar ermöglicht und zugleich sehr widerstandsfähig ist gegenüber abrasiven Medien. Die speziell polierte Oberfläche verhindert zudem, dass adhäsive Stoffe anhaften. Das komplette Sensorsystem arbeitet mit einem Schaltabstand von 0,1 bis zwei Millimeter und besteht aus dem Sensorkopf in einem kompakten Edelstahlgehäuse der Baugröße M12, einer zwei Meter langen Hochfrequenzleitung und dem Auswertegerät mit dem Schaltausgang. Die Elektronik ist dabei auf die Leitungslänge abgestimmt, um Signalverfälschungen auszuschließen.

Messung direkt in der Form

Angeregt wurde die Neuentwicklung von der Automobilindustrie: Hier detektieren die robusten Sensoren bei der Herstellung von Formteilen aus Faserverbundstoffen den Befüllungsgrad jetzt direkt in der Pressform, während das heiße Gießharz unter einem Druck von etwa 100 bar in die Form fließt. Dazu wird der Sensor in einem Abstand von einem Millimeter zu der in die Form eingelegten Carbonmatte montiert, dabei jedoch so justiert, dass er sie nicht erkennt. Der Sensor schaltet damit erst, wenn das einlaufende Harz den Zwischenraum gefüllt hat. Je nach Größe und Geometrie der Form sind dabei mehrere Näherungsschalter im Einsatz, sodass sich der Befüllungsgrad und damit die Pressqualität optimal überwachen lassen.

Konventionelle Näherungsschalter wurden hier bisher an sogenannten Überlaufreservoirs montiert, wo sie dem Prozess und den enormen Drücken nicht unmittelbar ausgesetzt waren. Dennoch erreichten sie nur sehr kurze Standzeiten und mussten nach etwa 100 Spritzvorgängen ausgetauscht werden. Zudem blieb selbst an den Teflon-Oberflächen immer etwas hängen, was letztendlich zu Beschädigungen führte.

Robust und sauber

Die polierten Oberflächen der neuen Näherungsschalter kennen solche Probleme dagegen nicht. Auch wenn die Formen gereinigt werden, verkraften das die neuen Sensoren klaglos, obwohl es dabei ziemlich ruppig zugeht. Meist werden zur Reinigung gefrorene CO2-Kügelchen verwendet, die ähnlich dem Sandstrahlverfahren aufgebracht werden, oft sind auch noch mehr oder weniger aggressive Trennmittel mit im Spiel. Kunststoffausführungen müsste man in solchen Fällen aufwendig mit Abdeckkappen vor Beschädigungen schützen.

Mittlerweile hat der neue Sensor bewiesen, dass er mit den Bedingungen im harten Praxiseinsatz bestens zurechtkommt und auch die großen Kräfte beim Schließen und Öffnen der Form gut übersteht. Die Sensoren müssen deshalb nicht mehr in bestimmten Intervallen ausgetauscht werden. Da sich die neuen kapazitiven Sensoren direkt in der Form montieren lassen, sinkt damit zudem der Materialverbrauch bei zugleich besser kontrollierbarer Pressqualität. Den Herstellern von Faserverbundstoffen und Anwendern in der Kunststoffindustrie steht damit erstmals eine robuste und zuverlässige Sensorlösung zur Verfügung.

Auf einen Blick

-Die Balluff GmbH mit Sitz in Neuhausen bei Stuttgart ist ein weltweit führender Hersteller von Sensortechnik für alle Bereiche der Automation.

-Die umfangreiche Produktpalette reicht von elektronischen und mechanischen Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien über rotative und lineare Wegaufnehmer bis zu auto-matischen Identifikationssystemen einschließlich der für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche optimierten Anschlusstechnik. .

Erschienen in Ausgabe: 01/2013