Wissenswertes rund um Kapazitive Sensoren und Näherungsschalter

Was sind Kapazitive Sensoren und wo werden sie angewendet?

Ein Kapazitiver Sensor beziehungsweise Kapazitiver Näherungsschalter löst ohne mechanischen Kontakt bereits durch Annäherung eines Objektes ein binäres Signal aus.
Die Besonderheit des Kapazitiven Sensors liegt zudem darin, dass er nicht nur leitende Materialien wie Metalle erkennt, sondern alle Stoffe mit einer höheren Dielektrizität als Luft. Darunter fallen zum Beispiel Wasser, Kunststoff, Glas und sogar menschliche Haut.

Aufgrund höchster Genauigkeit bei universeller Funktionalität kann ein Kapazitiver Sensor in beinahe allen Industriezweigen verschiedenste Aufgaben erfüllen wie Dickenmessung, Positionsmessung oder auch Füllstandskontrollen.

Ein großer Vorteil Kapazitiver Näherungsschalter ist, dass durch das nicht-mechanische Auslösen Kontaktabbrand und ähnliche Verschleißerscheinungen ausgeschlossen werden. Hersteller geben deswegen eine Lebensdauer bis zu 50 Millionen Zyklen an.

Kapazitiver Sensor mit Kabelanschluss

Wie funktionieren Kapazitive Sensoren?

Grafik: Skizze des Messvorgangs eines Kapazitiven Sensors

Ein Kapazitiver Näherungsschalter basiert auf dem Prinzip eines elektrischen Kondensators. Vereinfacht ausgedrückt bilden zwei Elektroden, die Mess- und die Schirm-Elektrode, die zwei Kondensatorplatten. Dadurch wird auf einer Seite des Sensors, der sogenannten aktiven Fläche, ein elektrisches Feld aufgebaut. Sobald ein Objekt in dieses Feld eintritt, verändert es die Kapazität des Kondensators. Dies wird durch einen nachgeschalteten Demodulator erfasst und in ein analoges Signal umgewandelt.

Im Gegensatz zu Induktiven Näherungsschaltern funktionieren Kapazitive Sensoren auch bei nicht-leitenden Stoffen mit größeren Dielektrizitätskonstanten als Luft (quasi allen Feststoffen und Flüssigkeiten). Auch hier sorgt das Einbringen des Materials in das elektrische Feld für eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators.

  1. Schirmelektroden
  2. Messelektrode
  3. Messobjekt

Welche Spezifikationen muss ich beim Kauf beachten?

Der Anschluss

Hier besteht die Wahl zwischen Geräten mit Kabel oder solchen mit Steckanschlüssen (vorwiegend 3-, 4- und 6-polige Standardstecker M12 oder M8). Letztere werden über Steckverbindungen angeschlossen.

Der Ausgang

PNP oder NPN? Der europäische Standard lautet PNP, der asiatische NPN. Der Unterschied: Bei PNP-Schaltungen ist "Plus" der Schaltdraht, bei NPN-Schaltungen ist es "Null".

Die Bündigkeit

Man kann zudem zwischen bündigen und nicht bündigen Schaltern unterscheiden. Bündige Näherungssensoren schließen flach mit der umliegender Oberfläche ab, während nicht bündige zum störungsfreien Betrieb einen freien Raum seitlich der aktiven Fläche benötigen.

Die Kontaktart

Ist ein Kapazitiver Näherungsschalter als "Schließer" ausgezeichnet, dann wird er bei der Auslösung einen Stromkreis schließen, ihn also verbinden. Ein "Öffner" bewirkt das Gegenteil und trennt einen bestehenden Stromkreis auf. Der "Wechsler" sorgt immer für eine Veränderung des bestehenden Zustandes.

Die Bauform & Größe

Kapazitive Näherungssensoren gibt es in runder (M12, M18, M22, M30) oder in Quaderform und mit Abmessungen von wenigen Millimetern oder über 10 Zentimetern Länge zu kaufen. Unter anderem die Montage ist hier von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel lassen sich runde Sensoren per Sensorenhalter fixieren, während andere sogar angeklebt werden können.Auch den geplanten Einsatz gilt es zu berücksichtigen. Diese Sensoren sind beispielsweise speziell für die Nutzung als mit der Hand auszulösende Start-/Stopptaster ausgelegt und können mithilfe von Symbolscheiben ihrer Bedeutung zugeordnet werden.

Ganz allgemein gilt bei der Wahl jedoch: Ein größerer Sensor bedeutet einen höheren Schaltabstand.
 

Der richtige Schaltabstand: Sensibilität & Dielektrizitätskonstante

Eine der wichtigsten Kaufüberlegungen ist der benötigte Schaltabstand, also die Entfernung, bei der die Messung zu einem Ausschlag führen soll. Generell bieten Kapazitive Näherungsschalter mit bis etwa 40 Millimeter deutlich kleinere Abstände als Induktive Sensoren.

Übrigens: Analog zum Reduktionsfaktor von metallischen Stoffen bei Induktiven Näherungsschaltern verändert sich auch beim Kapazitiven Gegenpart der Schaltabstand je nach Beschaffenheit des auslösenden Objekts.

Bei Kapazitiven Näherungsschaltern ist die Bandbreite sogar noch viel größer, da sehr verschiedene Stoffe vom Sensor wahrgenommen werden. Generell gilt: Eine höhere relative Dielektrizitätskonstante sorgt für ein höhere elektrische Kapazität und damit eine schnellere Auslösung des Schalters. Außerdem kann eine Veränderung der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Schalter den benötigten Abstand beeinflussen.

Unser Praxistipp: Kalibrierung von Näherungsschaltern

Die Näherungsschalter besitzen aufgrund der vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten in der Regel die Option zur Kalibrierung mithilfe eines Potentiometers. Denken sie also unbedingt daran, nach dem Anbringen an der vorgesehenen Stelle den richtigen Schaltabstand zu justieren.

  

Dielektrizitätskonstanten häufiger Werkstoffe

Material Relative Dielektrizitätskonstante
Luft 1
Papier 1,2 - 4,0
Öl 2,2 - 2,4
Gummi 2,5 - 3,0
PVC 3
Epoxid 3,2 - 3,9
Plexiglas 3,0 - 4,0
Porzellan 4,5 - 6,5
Glas 5,0 - 7,0
destilliertes Wasser 80,8

Fazit

Kapazitive Sensoren bieten die Möglichkeit zur Messung von Abständen oder Füllständen, können als abbrand-freie Start-/Stopptaster mit der Hand ausgelöst werden und helfen auch bei der Werkzeug-Positionierung, ganz  unabhängig davon, ob die zu erfassenden Stoffe leitend sind oder nicht. Der Alleskönner ist deshalb aus kaum einem Betriebsablauf wegzudenken und begeistert richtig eingesetzt auf sehr lange Zeit.

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