Keiner für alles

Näherungsschalter - Induktive Sensoren mit materialunabhängigem Schaltabstand erobern immer neue Anwendungsgebiete. In einigen Fällen sind konventionelle Näherungsschalter jedoch nicht zu ersetzen. Moderne Hersteller bieten für jeden Einsatz den passenden Sensor.

30. März 2007

Induktive Näherungsschalter dienen zum Detektieren von metallischen Gegenständen bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Automatisierungstechnik. Zu den Vorteilen dieser Sensorklasse zählen die kompakte Bauweise sowie ihre Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung. Das Einsatzgebiet ist breit und reicht von der Detektion einzelner Werkstücke über die Positionierung von Maschinenelementen und Werkzeugen in Montage-, Schweiß- oder Förderanlagen bis hin zu schnellen Zählaufgaben. Angesichts dieser Vielfalt ist es jedoch nicht immer einfach, für jede Applikation mit ihren speziellen Randbedingungen den genau richtigen Näherungsschalter zu finden.

Induktive Standard-Näherungsschalter bestehen im Wesentlichen aus den drei Funktionseinheiten Oszillator, Komparator und Ausgangsverstärker. Als Oszillator dient eine in einem Ferritkern untergebrachte Spule, die ein elektromagnetisches Feld in Richtung zur aktiven Fläche des Sensors erzeugt, sobald die Betriebsspannung anliegt. Ein in dieses Feld eintauchendes Betätigungselement aus Metall entzieht diesem Feld Energie, sodass die Oszillatorspannung absinkt. Die Komparatoreinheit registriert diesen Spannungsabfall und aktiviert den Ausgangsverstärker, sobald der definierte Schaltabstand erreicht wird.

Material bestimmt den Schaltabstand

Ein Nachteil von induktiven Standardsensoren ist jedoch, dass die Größe des Schaltabstands bei ihnen stark davon abhängt, aus welchem Metallwerkstoff das jeweilige Betätigungselement aufgebaut ist. Der Schaltabstand variiert also mit den Materialeigenschaften und der Beschaffenheit des zu detektierenden Körpers: Während Objekte aus magnetischem und elektrisch leitfähigem Material einen höheren Schaltabstand liefern, führen Targetobjekte aus magnetisch nicht leitfähigem aber elektrisch leitfähigem Material zu einem geringen Schaltabstand.

Kritisch werden diese unterschiedlichen Schaltabstände bei Standard-Nährungsschaltern zwangsläufig in solchen Anlagen, in denen Werkstücke aus verschiedenen Metallen erkannt werden müssen: Hier erfordert eine präzise Montage oder Bearbeitung bei konstanten Positionen oder Abständen komplexe mechanische Justagearbeiten an den Maschinen oder eine aufwendige Anpassung der Schaltabstände der Sensoren.

Keine Probleme mit dem Werkstoff

Vermeiden lässt sich dieser Aufwand mit den so genannten Reduktionsfaktor-1-Sensoren, da sie alle Metalle mit gleichem Schaltabstand erkennen, unabhängig davon ob das Zielobjekt aus Stahl, Aluminium oder Messing aufgebaut ist. Reduktionsfaktor-1-Sensoren bestehen prinzipiell aus denselben Funktionseinheiten wie induktive Standardsensoren, allerdings ist die Konstruktion des Oszillators etwas aufwendiger. Statt einer Spule im Ferritkern kommen hier zwei Luftspulen zum Einsatz, die elektrisch gekoppelt sind, sodass der Reduktionsfaktor unabhängig wird von den Materialeigenschaften und alle Metalle mit demselben Schaltabstand detektiert werden.

Ein typisches Einsatzfeld für Reduktionsfaktor-1-Sensoren findet sich in der Schweißtechnik. Die Kombination des prinzipbedingt magnetfeldfesten Luftspulensystems mit mechanisch schweißfesten Spezialgehäusen ermöglicht hier den Bau entsprechend robuster Näherungsschalter. Die schweißfesten Ausführungen sind so ausgelegt, dass sie glühenden Metallspritzern standhalten. Zylindrische schweißfeste Sensoren bestehen beispielsweise aus Messing, das in einem zweiten Fertigungsschritt mit PTFE beschichtet wird. Auch die Frontflächen, die aus einem speziellen Kunststoff mit metallischen Eigenschaften gefertigt sind, erhalten eine PTFE-Beschichtung, um eine Vordämpfung durch eine metallische Frontseite zu vermeiden, die den Schaltabstand deutlich reduzieren würde. Bei quaderförmigen Sensoren besteht oft die Sensorfläche komplett aus schweißfestem Kunststoff oder das Gehäuse ist komplett aus schweißfestem Spezialkunststoff gefertigt, weil sich hier ein Vollmetallgehäuse negativ auf die Sensorcharakteristik auswirken würde.

Aufgrund der genannten Vorteile werden Reduktionsfaktor-1-Sensoren immer beliebter und erschließen immer weitere Einsatzbereiche. Der Mannheimer Sensorikspezialist Pepperl + Fuchs hat deshalb jetzt eine neue Baureihe von Reduktionsfaktor-1-Sensoren vorgestellt, die einen deutlich vergrößerten Schaltabstand bieten. Die neuen Sensoren ermöglichen Reichweiten bis zum doppelten Normschaltabstand.

Dennoch gehören auch die bisherigen Sensortypen nicht zum alten Eisen. In bestimmten Anwendungen erweisen sich die bewährten Standardtypen mit Ferritspulensystem sogar als überlegen. So können sie kleine und große Teile gleichermaßen gut erfassen, weil der Ferritkern die Feldlinien der Spule bündelt und optimal zur aktiven Fläche ausrichtet.

Für jeden Einsatz der passende Sensor

Bei einem Reduktionsfaktor-1-Sensor dagegen reichen die elektromagnetischen Feldlinien in der Mitte des Sensors nicht so weit wie am Rand, sodass es bei kleinen Targets zu unerwünschten doppelten Schaltimpulsen kommen kann. Nach wie vor eine wichtige Aufgabe für ferritbehaftete Standard-Näherungsschalter ist deshalb das schnelle Zählen von Kleinteilen oder auch das Detektieren von Querbewegungen.

Ein Problem von Reduktionsfaktor-1-Sensoren ist auch, dass sich das entstehende Oszillatorfeld nicht nur nach vorne zur aktiven Fläche hin, sondern auch in die entgegengesetzte Richtung ausrichtet. Dabei ist es unerheblich, ob das System mit gewickelten Luftspulen oder als gedruckte Leiterplattenspule realisiert ist. Eine gleichbleibende Einbauperformance erfordert deshalb in beiden Fällen geeignete Maßnahmen, die die Entwicklungs- und Herstellungskosten nach oben treiben. Induktive Standardsensoren dagegen kennen diese Problematik nicht, da ihre Ferritkerne nicht nur die Feldlinien zu einem optimalen Feldlinienverlauf bündeln, sondern gleichzeitig das entstehende Feld nach hinten abschirmen. In bestimmten mechanischen Einbausituationen erkauft man sich deshalb die Vorteile der Reduktionsfaktor-1-Sensoren besonders teuer.

Armin Hornberger, Pepperl + Fuchs GmbH

FAKTEN

¦ Induktive Näherungsschalter sind robust, vielseitig einsetzbar und preiswert.

¦ Standard-Sensoren detektieren unterschiedliche Metalle mit unterschiedlicher Empfindlichkeit.

¦ Der Aufbau mit zwei gekoppelten Luftspulen ermöglicht gleichmäßige Schaltabstände bei jedem Metall.

Erschienen in Ausgabe: 02/2007