Micro-Epsilon hat kapazitive Sensoren für die Industrie optimiert
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Micro-Epsilon hat kapazitive Sensoren für die Industrie optimiert

Prinzip des idealen Plattenkondensators
Micro-Epsilon hat kapazitive Sensoren für die Industrie optimiert

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Kapazitiven Wegsensoren hängt noch immer der Ruf an, vor allem für saubere und trockene Umgebung geeignet zu sein. Doch als industrieoptimierte Ausführungen, wie Micro-Epsilon sie in der CapaNCDT-Serie konzipiert hat, messen diese Sensoren auch in anspruchsvollen Umgebungen präzise Werte im Submikrometerbereich. Zudem sind sie temperaturstabil, robust und flexibel einsetzbar – auch in Umgebungen mit wechselnden Temperaturen oder mit Magnetfeldern.

Stefan Stelzl, Produktmanager Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co KG, Ortenburg

Inhaltsverzeichnis

1. Sensorbauformen für verschiedene Einsatzgebiete
2. Triaxial misst genauer
3. Patentierter Miniaturstecker
4. Magnetfeldunempfindliche Luftspaltmessung
5. Modifikationen sind jederzeit möglich
6. Temperaturstabile Ergebnisse
7. Messsysteme für die Industrie
8. Fazit

 

Kapazitive Sensoren messen Änderungen in einer elektrischen Eigenschaft, die als Kapazität bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit eines Körpers oder von Leiteranordnungen elektrische Ladung zu speichern. Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon basieren auf dem Prinzip des idealen Plattenkondensators.

Hochgenaue Micro-Epsilon-Messtechnik für die Weltraumforschung

Das elektrische Feld befindet sich hier ausschließlich zwischen den beiden leitenden Objekten im aktiven Messbereich, also zwischen dem Sensor und dem leitfähigen Messobjekt. Die Sensorelektrode wird mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz und Amplitude gespeist, wodurch die Amplitude der resultierenden Spannung proportional zum Abstand der beiden Objekte ist.

Sensorbauformen für verschiedene Einsatzgebiete

Die kapazitiven Sensoren der Serie CapaNCDT sind in unterschiedlichen Ausführungen verfügbar, wobei die zylindrische Bauform die geläufigste ist. Neuartige zylindrische Wegsensoren von Micro-Epsilon sind zudem mit einem Montagegewinde ausgestattet und können einfach eingeschraubt oder mit einer Mutter fixiert werden. Neben der zylindrischen Bauform werden auch Flachsensoren angeboten, die einen wesentlich geringeren Bauraum erfordern. In der Platinenausführung sind kapazitive Sensoren somit beispielsweise auch zur Integration in schmale Einbauumgebungen geeignet.

Die kapazitiven Sensoren decken Messbereiche von 50 Mikrometer bis zehn Millimeter ab und sind dadurch für zahlreiche Messaufgaben geeignet. Die Sensoren sind entweder mit Steckverbindung oder mit integriertem Kabel ausgestattet. Für die Sensorkonstruktion kommen verschiedene Gehäusematerialien und Fertigungstechnologien zum Einsatz. Neben der Standard-Ausführung aus Edelstahl beziehungsweise Invar sind auch Sensoren aus Titan erhältlich, die für Messaufgaben im Vakuum geeignet sind.

Triaxial misst genauer

Im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Sensoren, sind Sensoren von Micro-Epsilon nicht koaxial, sondern triaxial aufgebaut. Dies bedeutet, dass der Kondensator nicht einfach nur von einem Gehäuse umgeben wird, sondern zusätzlich ein gesondert gespeister Schutzring zwischen Kondensator und Gehäuse angebracht ist, der seinerseits ebenfalls ein elektrisches Feld erzeugt. Zwischen der Messelektrode und der Objektoberfläche entsteht dadurch ein homogenes Feld.

Eine Ausbreitung auf andere leitfähige Objekte in der Nähe oder auf andere Bereiche des Targets wird durch das Schutzfeld um die Messelektrode unterbunden. Somit wird verhindert, dass andere Objekte die Messung beeinflussen. Dieser triaxiale Aufbau macht die Sensoren robuster und deutlich genauer. Die Linearität ist wesentlich höher und Störungen des Messfeldes werden zuverlässig verhindert. Zudem können diese Sensoren bündig in leitende Materialien eingebaut werden, ohne Messfehler zu erzeugen.

Patentierter Miniaturstecker

Auch für besonders beengte Einbausituation bietet Micro-Epsilon die passende Lösung. Patentiert wurde ein Miniatur-Triaxial-Stecker, der zusammen mit den nur 14 bis 25 Millimeter dünnen Platinensensoren zum Einsatz kommt. Kabel, Sensor und Stecker sind hier nahezu gleich groß, so dass dies vereinfacht ausgedrückt bedeutet: Wo das Kabel hindurchpasst, passt auch der Stecker hindurch. Ein aufwendiges Bohren großer Löcher entfällt. Der Stecker ist mit nur 3,6 Millimeter etwa um den Faktor drei kleiner als herkömmliche Stecker.

Eine Integration des Sensors in Maschinen und Anlagen mit besonders engen Bauräumen wird dadurch besonders einfach. Die Spiralummantelung für die eingesetzten Kabel bietet dabei zusätzlichen Schutz vor Beschädigungen. Die Platinensensoren der Reihe CFS decken Messbereiche von zwei bis sechs Millimeter ab und erreichen eine Linearität von vier Mikrometer.

Magnetfeldunempfindliche Luftspaltmessung

Die Vorteile der industrieoptimierten Sensoren zeigen sich unter anderem bei großen Elektromotoren wie sie in Gesteinsmühlen zur Zementherstellung oder beim Abbau von Erzen verwendet werden. Der Rundlauf dieser Anlagen muss ständig überprüft werden, da die Motoren mit Durchmessern von über zehn Metern großen Schaden nehmen, wenn der Rotor den Stator berührt. Daher wird der sogenannte Läuferspalt, der Abstand zwischen Rotor und Stator, durch kapazitive Wegsensoren ständig überwacht.

Die wechselnden magnetischen Felder haben dank des triaxialen Aufbaus und der Verwendung von nicht-magnetischen Materialien wie Titan oder Edelstahl keinen Einfluss auf das Messergebnis. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips besteht auch keinerlei physische Einwirkung auf Sensor oder Messobjekt, wodurch sich Langzeitstabilität ergibt. Verschiedene Sensorbauformen bis hin zu Flachsensoren ermöglichen darüber hinaus einen einfachen Einbau in diese extreme Umgebung, die nur wenig Platz bietet und flache Sensoren mit einer Höhe von maximal 2,5 Millimetern erfordert. Eine weitere Herausforderung ist die große Kabellänge, die in der Regel rund acht Metern betragen muss.

Modifikationen sind jederzeit möglich

Neben den Standardsensoren bietet Micro-Epsilon die Möglichkeit, Sensoren und Controller kundenspezifisch zu modifizieren, unter anderem bezüglich der Kabellängen, Bauform oder abgeänderten Messbereichen. Werden Sensoren in Bereichen eingesetzt, wo sie in hohem Maße Erschütterungen ausgesetzt sind, so bieten beispielsweise Gewindesensoren eine optimale Einbaumöglichkeit. Diese sind fest mit der jeweiligen Maschine verschraubt und verhindern ein verrutschen des Sensors bei starker Vibration. Dadurch bleiben die Messergebnisse auch in anspruchsvoller Umgebung dauerhaft präzise.

Sie sind vor allem für Anwendungen im Maschinenbau konzipiert, wenn die Sensoren beispielsweise an Wänden, Bohrungen oder auch sehr tiefen Bohrungen in einem definierten Abstand angebracht werden müssen. Es besteht auch die Möglichkeit, die kapazitiven Gewindesensoren an sehr dünne Wände anzubringen, indem sie über zwei Kontermuttern je an der Innen- und Außenseite fixiert werden. Die Gewindesensoren sind außerdem durch die integrierte Steckverbindung sehr montagefreundlich, da ein Verdrehen des Kabels verhindert wird: Zunächst werden die Sensoren eingeschraubt und erst danach über die integrierte Steckverbindung mit dem Anschlusskabel verbunden.

Temperaturstabile Ergebnisse

In industriellen Umgebungen schwankt die Temperatur häufig sehr stark. Materialien dehnen sich bei hohen Temperaturen aus und ziehen sich bei niedrigen zusammen. Dadurch verändert sich auch der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt. In Bereichen mit starken Temperaturschwankungen bieten die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon bei Werten von -270 bis +200 Grad Celsius eine besonders hohe Temperaturstabilität von fünf Parts per million. Die Langzeitstabilität liegt bei ±0,002 Prozent d.M./Monat. Für weitaus höhere Temperaturbereiche sind Sonderbauformen mit Keramik möglich.

Besonders temperaturstabile und robuste Sensoren werden unter anderem bei der berührungslosen Erfassung der Disc Thickness Variation von Bremsscheiben eingesetzt. Denn nur bei einer gleichmäßigen Scheibendicke kann eine Bremsanlage ihre maximale Effizienz erreichen. Unebenheiten, Schläge oder Abriebe auf der Oberfläche der Scheibe führen zu Kontaktverlust der Bremsbeläge und verringern somit die Bremswirkung. Das System CapaNCDT DTV arbeitet hochauflösend und kann dadurch Abweichungen bis unter einem Mikrometer sowohl bei Raumtemperatur im Prüfstand als auch bei Bremsscheiben-Temperaturen von rund 600 Grad Celsius im Fahrversuch bestimmen.

Speziell für die Vermessung von Bremsscheiben wurde ein innovativer Vierkanal-Flachsensor CSH1, 4FL konzipiert. Wegen seines robusten Aufbaus ist er für raue Umgebungsbedingungen von der Produktionsüberwachung und Qualitätsprüfung über den Prüfstand bis hin zum Versuchsfahrzeug geeignet. Im kompakten Gehäuse sind vier kapazitive Sensoren untergebracht, die die Messwerte unabhängig voneinander erfassen. Vor mechanischen und thermischen Belastungen schützt ein spezielles Keramiksubstrat, welches eine hohe Stabilität auch bei Temperaturschwankungen schafft.

Um eine positionsgenaue Messung mit geringem Montageaufwand zu realisieren, sind die Sensoren in spiegelverkehrten Anordnungen verfügbar, die auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe montiert werden können. Kombiniert mit dem Controller CapaNCDT 6220 lassen sich die vier Sensorkanäle bei dynamischen Messungen bis fünf Kilohertz synchron verarbeiten und analog oder digital über die Ethernet- beziehungsweise Ethercat-Schnittstelle ausgeben.

Messsysteme für die Industrie

Micro-Epsilon bietet neben einem breiten, industrieoptimierten Sensorportfolio auch spezielle Messsysteme, die für industrielle Anforderungen konzipiert wurden: Das CapaNCDT 61×0/IP ist ein kapazitives Wegmesssystem, das zur Qualitätssicherung in Produktionsprozessen sowie zur Maschinen- und Anlagenregelung entwickelt wurde. Das nach Schutzart IP68 klassifizierte Messsystem wird für zahlreiche industrielle Messaufgaben eingesetzt und ist unempfindlich bei Temperaturschwankungen sowie Magnetfeldern. Es wurde speziell industrielle Messaufgaben konzipiert, in denen hohe Präzision vorausgesetzt wird. Zum Einsatz kommt es bei berührungslosen Messung von Größen wie Weg, Abstand, Auslenkung, Ausdehnung und Durchbiegung auf leitfähigen Messobjekten.

Das CapaNCDT 61×0/IP besteht aus einem Sensor, einem Sensorkabel sowie einem Controller. Das System ist dank der werksseitigen Kalibrierung einsatzbereit und muss vor Ort nicht kalibriert werden. Auch bei einem nachträglichen Sensortausch ist eine Neukalibrierung nicht erforderlich. Die Datenausgabe erfolgt über Strom oder Spannung beziehungsweise die digitale RS485-Schnittstelle. Das Alu-Druckgussgehäuse schützt den Controller zudem vor Staub und Feuchtigkeit.

Und auch das Sensorkabel ist robust aufgebaut: Es gewährt Trittsicherheit und Temperaturbeständigkeit. Die Kabellänge ist auf große Abstände für bis zu acht Metern ausgelegt. Mehr als 15 verschiedene Sensormodelle erlauben den Einsatz in verschiedenen Messaufgaben. Mit Platinen-, Zylinder- und Gewindesensoren stehen drei verschiedene Sensortypen zur Verfügung, aus denen je nach Einbausituation ausgewählt werden kann. Der Sensortausch ist auf einfache Weise mögliche. Alle kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon lassen sich mit allen Controllern betreiben. Ein aufwendiges Kalibrieren der Sensoren ist nicht notwendig.

Fazit

Kaum ein anderes System kann Linearitätsabweichungen bis 0,005 Prozent und besser über den ganzen Messbereich erfassen. Trotz vergleichsweise hoher Leitungskapazitäten bis zu einem Nanofarad (1 x 10-9 Farad) lässt sich bei Micro-Epsilon-Sensoren die Messkapazität auf etwa 0,25 Attofarad (0,25 x 10-18 Farad) auflösen, ein Verhältnis von 1:4.000.000.000. Erreicht wird dies durch Feinheiten in den Komponenten, vom Sensor über das Sensoranschlusskabel bis in den Controller.

Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind in erster Linie passiv. Es gibt dadurch keine temperaturempfindlichen elektronischen Bauteile, wodurch sich eine hohe Langzeitstabilität und Präzision ergeben. Kapazitive Sensoren werden häufig für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Genauigkeit und Stabilität gefordert sind – bei einer Auflösung im Sub-Nanometer-Bereich. Dank ihrer innovativen Technologie sind kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon in der Lage, auch in rauen Industrieumgebungen genaue Messwerte zu erfassen. Zudem liefern sie auch bei extremen Temperaturen Messwerte bis in den Nanometerbereich und eignen sich für Einsatzbedingungen bei Tiefsttemperaturen oder im Ultrahochvakuum bis hin zu staubigen Industrieumgebungen oder Reinraumanwendungen.

Die kapazitiven Sensoren sind außerdem langzeitstabil, weil keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. Eine weitere Stärke ist die Kombinationsvielfalt. Jeder kapazitive Sensor kann ohne aufwändige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwendet werden. Über die verschiedenen Schnittstellen wie Analog, Ethernet und Ethercat wird eine Anbindung an moderne Maschinen und Anlagen ermöglicht. Einstellungen lassen sich über das benutzerfreundliche Webinterface vornehmen. (ik)

Details zu den kapazitiven Sensoren für Weg, Abstand und Position von Micro-Epsilon


Kontakt:
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Königbacher Str. 15
94496 Ortenburg
Tel.: +49 8542 / 168 – 0
E-Mail: info@micro-epsilon.de
Website: www.micro-epsilon.de

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