Berührungslose Sensorik nach dem kapazitiven und Wirbelstrom-Prinzip

Mit Abstand der bessere Weg

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Berührungslose Wegsensoren erfassen schnelle Wegänderungen, üben keine Kräfte auf das Messobjekt aus, beeinträchtigen hochempfindliche Oberflächen nicht und weisen eine lange Lebensdauer auf. Klassische Wirkprinzipien wie „kapazitiv“ und „Wirbelstrom“ sind auch in modernen Anwendungen nicht zu ersetzen.

Weg- und Abstandssensoren stehen oft im Zentrum komplexer Messsysteme für das dimensionelle Prüfen. Die zu messenden Größen wie Schwingung, Auslenkung, Spiel, Position, Verkippung, Ebenheit, Profil, Verformung, Spalt, Hub, Rundheit, Dicke, Verschiebung, Toleranz oder Kontur stellen sehr hohe Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit. Wichtig sind Genauigkeit, Temperaturstabilität, Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Micro-Epsilons berührungslose Wegsensoren kommen stets dann zum Einsatz, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.

Messmethoden wie Wirbelstrom, kapazitiv, Laser-Triangulation oder optisch-konfokal haben sich im Markt zur Lösung anspruchsvoller Aufgaben bewährt. Die elektromagnetischen Verfahren „kapazitiv“ und „Wirbelstrom“ zählen hierbei zu den Klassikern, die auch heute noch aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften bei modernen Anwendungen nicht zu ersetzen sind.
Kapazitive Wegsensoren
Das Prinzip der kapazitiven Wegmessung basiert auf der Wirkungsweise des idealen Plattenkondensators: Eine Abstandsverschiebung der Platten bewirkt eine Änderung der Gesamtkapazität. Bei einem Sensorsystem werden die beiden Plattenelektroden durch den Sensor und das Messobjekt gebildet. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Frequenz den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor dem Abstand zum Messobjekt (Masse-Elektrode) proportional. In der Verstärkerelektronik werden die Wechselspannungssignale demoduliert und analog ausgegeben. Durch spezielle Auswertung des Blindwiderstandes des Plattenkondensators ergibt sich ohne zusätzliche Linearisierung ein streng proportionaler Zusammenhang. In der Praxis wird diese Linearität durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren nahezu ideal verwirklicht. Dies gilt unabhängig von der Leitfähigkeit für alle Metalle als Messobjekt.
Das Schutzringkondensator-Prinzip wird von der Produktserie „Capa NCDT 6100“ in vollem Umfang verwirklicht. Das umfangreiche Sensorprogramm beginnt bei einem Messbereich von 200 µm und deckt bei den größeren Modellen Wege bis 10 mm ab. In Verbindung mit dem kompakten Controller liefert die Serie Linearitätswerte bis 0,1 % und Auflösungen von 0,02 % bei einer Grenzfrequenz von 2 kHz. Als Versorgungsspannung sind 9 bis 36 V erforderlich. Am Ausgang stehen 0 bis 10 V zur Verfügung.
Sensoren nach dem Wirbelstromprinzip
Das Wirbelstromprinzip beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis, die zur Induk- tion von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen metallischen Messobjekt erforderlich ist: Nähert man einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Spule eine Metallplatte an, so werden über das elektromagnetische Spulenfeld in dieser Platte Wirbelströme induziert. Deren Eigenfeld ist gemäß Lenz’scher Regel dem Erregerfeld entgegengerichtet. Der damit herbeigeführte Energieentzug bewirkt eine Änderung des Wechselstromwiderstandes der Sensorspule als Funktion des Abstandes zum Messobjekt (Metallplatte).
Mit dem „Eddy NCDT Serie 3300“ werden dem Anwender neue Perspektiven im Hinblick auf Handhabung und technische Merkmale gegeben. So wurde der Aufbau der Sensoren neu konstruiert. Die verwendeten hochwertigen Industriestecker machen die Geräte noch robuster. Ihre Schutzklasse IP 67 prädestiniert sie für den Einsatz in schwieriger industrieller Umgebung. Für Anwendungen in der Verbrennungsmotorentwicklung oder im Automobilfahrversuch gibt es eine spezielle Miniaturausführung mit Keramikgehäuse für hohe Druckbelastungen.
Durch die Linearisierung vor Ort, die von einem integrierten Micro-Controller wesentlich vereinfacht wird, werden für jedes metallische Messobjekt und jede Einbauumgebung optimale Genauigkeiten erreicht. Ein integriertes LC-Grafikdisplay unterstützt die Bedienung. Die Messwerte können als Spannung oder Strom ausgegeben oder in metrischen Einheiten angezeigt werden. Die Funktionalität wird durch Grenzwertüberwachung, Auto-Zero, Spitze-Spitze-Wert, Minimum, Maximum oder wählbare Ausgangstiefpässe erweitert. Ein Spritzgussgehäuse aus Aluminium schützt die Signalaufbereitungselektronik bei Anwendungen an Maschinen oder in Anlagen.
Mit dem Eddy NCDT 3300 werden Messbereiche von 0,4 bis 80 mm angeboten. Als Linearität werden 0,2 % erreicht, die Auflösung liegt bei 0,005 %. Mit dem Micro-Epsilon-spezifischen Kompensationsverfahren werden Stabilitätswerte von 0,015 %/°C in Temperaturen bis 150 °C realisiert. Besonders schnelle Bewegungen können in einer Bandbreite bis 100 kHz noch mit hoher Präzision erfasst werden. Micro-Epsilons Miniatur-Wirbelstromsensoren eignen sich mit 2 mm Frontdurchmesser, 4 mm Baulänge und nur 0,5 mm Kabeldurchmesser ideal für den Einsatz im Verbrennungsmotor. Sie messen an verschiedenen Positionen: Kolbenbewegung, Wellenbahn, Verlagerung, Kolbenring-Bewegung, Schwingungen, Ölfimdicke. Bei einem Messbereich von 500 µm wird eine Linearität von 1 µm und eine Auflösung bis zu 20 nm erreicht.
Neu ist ein nur geringfügig größerer Wegsensor mit Keramikgehäuse und O-Ringdichtung für den Einsatz unter hohen Drücken. Druckbelastungen von über 1000 bar oder kurzzeitige Druckspitzen von 2000 bar wurden erfolgreich absolviert. Damit ist dieses Gerät bestens geeignet für Messungen im Verbrennungsmotor.
Kapazitive Wegsensoren KEM 412
Wegsensoren nach dem Wirbelstromprinzip KEM 413

Technische Daten Eddy NCDT 3300

  • Messbereich: 0,4 bis 80 mm
  • Linearität: 0,2 % d. M.
  • Auflösung: 0,005 % d. M.
  • Grenzfrequenz: 100 kHz
  • Ausgang: 0 bis 10 V; 4 bis 20 mA
  • Versorgung: ±12 VDC oder 9 bis 36 VDC

  • Technische Daten Capa NCDT 6100

    • Messbereich: 0,2 bis 10 mm
    • Linearität: 0,3/0,1 % d. M.
    • Auflösung: 0,02 % d. M.
    • Grenzfrequenz: 2 kHz
    • Ausgang: 0 bis 10 V; 4 bis 20 mA
    • Versorgung: 9 bis 36 VDC

    • Definition Kapazitive Sensoren
      Habilitationsschrift: Technologieentwicklung für kapazitive Sensoren mit bewegten Komponenten
      Internationales Sensor-Portal
      Sensorhersteller bei Directindustry/
      Sensoren bei Wer liefert Was?
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