Inhaltsverzeichnis
1. Schaltabstand zur Klassifizierung
2. Faktor-1-Sensoren
3. Korrekturfaktoren für bestimmte Metalle
4. Verschiedene Bauformen
5. Auflösung und Wiederholgenauigkeit
6. IO-Link zur Kommunikation
Induktive Sensoren arbeiten berührungslos. Sie detektieren Metallobjekte, die sich in ihrem Messfeld bewegen. Die Funktionsweise beruht auf der Dämpfung eines magnetischen Feldes, das vom Sensor erzeugt wird. Induktive Sensoren arbeiten prinzipiell mit einer offenen Spule, die das erforderliche Magnetfeld erzeugt. Verändert nun ein Objekt das Feld, wird es erkannt und es lassen sich völlig verschleißfrei Wege, Abstände oder Geschwindigkeiten messen. Der Oszillator im Sensor erzeugt mittels eines Schwingkreises in der Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld, das aus der aktiven Fläche des Sensors austritt. In jedem sich frontseitig nähernden Metallobjekt werden Wirbelströme induziert, die dem Oszillator Energie entziehen und am Oszillatorausgang Amplitude und Frequenz des Schwingkreises verändern bzw. eine Pegeländerung verursachen. Mittels Schmitt-Trigger wird der Ausgang geschaltet oder die Amplitude in einen analogen Wert umgerechnet. Grundsätzlich wird hier zwischen den sogenannten binären Sensoren sowie den analogen Sensoren unterschieden. Während die induktiven Näherungsschalter ein eindeutiges Ein- oder Aus-Signal liefern, werden die analogen Sensoren in der Messtechnik beispielsweise zur Weg- oder Abstandsmessung eingesetzt.
Schaltabstand zur Klassifizierung
Der Schaltabstand induktiver Sensoren ist in der internationalen Norm EN 60947-5-2 definiert. Es handelt sich um den Abstand, bei dem sich eine auf die aktive Fläche des Sensors zu bewegte ebenfalls genormte Messplatte einen Signalwechsel bewirkt. Die Messplatte ist ist quadratisch, 1 mm dick und besteht aus Eisen oder Stahl (Fe 360/ST 37). Die Seitenlänge entspricht gemäß der Norm dem Durchmesser der aktiven Sensorfläche oder dem dreifachen Nenn-Schaltabstand. Maßgebend ist hier jedoch der höhere Wert. Man kann als weitere Faustregel aufstellen, dass der Schaltabstand dem Bemessungsschaltabstand entspricht, wenn das Objekt nicht kleiner ist als die aktive Fläche des Sensors.
Der Nennschaltabstand ist ein Parameter zur Typenklassifizierung, er berücksichtigt weder Fertigungstoleranzen noch mögliche Änderungen durch Spannung oder Temperatur. Der effektive Schaltabstand eines Sensors oder Näherungsschalters dagegen lässt sich bei festgelegter Temperatur, Spannung und Einbaubedingungen messen. Bei induktiven Näherungsschaltern sollte er laut Normung bei Temperaturen zwischen 18 und 28 °C im Bereich zwischen 90 und 110 % des Nennschaltabstands betragen.
Faktor-1-Sensoren
Induktive Sensoren eignen sich zur Erkennung metallischer Objekte. Da die Sensoren jedoch unterschiedlich auf die einzelnen Metalle reagieren, verringert sich bei Standardsensoren der Schaltabstand für nicht ferromagnetische Metalle um bis zu 70 %. Bei induktiven Sensoren ist dieser Korrekturfaktor direkt abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials, da diese die Höhe der Wirbelstromverluste bestimmt. Oft ist die Abhängigkeit des Schaltabstands vom Material in der praktischen Anwendung unerwünscht, weil sie eine mögliche Fehlerquelle bei der Erfassung unterschiedlicher Materialien darstellt. Die sogenannten Faktor-1-Sensoren beinhalten deshalb einen Mikrocontroller, der diesen Einfluss kompensiert. Darum weisen Faktor-1-Sensoren keinen materialabhängigen Reduktionsfaktor auf, sie verfügen außerdem über eine vernachlässigbare Temperaturdrift und zeichnen sich zudem durch eine hohe Schaltfrequenz aus. Sie eignen sich somit insbesondere für Messungen auf Aluminium oder Buntmetalle sowie für Drehzahlmessungen an Zahnrädern.
Korrekturfaktoren für bestimmte Metalle
Bei leitfähigem Material wie Kupfer oder Aluminium ergibt sich ein Korrekturfaktor, der einen geringeren Schaltabstand zur Folge hat. Dagegen bewirkt die elektrische Leitfähigkeit beim Ferromagnetismus im Eisen, dass hier die Verluste im Schwingkreis größer sind, sodass die zu erzielenden Schaltabstände auch dementsprechend größer sind. Vereinfacht gilt, dass Material um so schlechter erfasst wird, je besser seine Leitfähigkeit ist.
Der induktive Näherungsschalter wird in der Regel als binärer Positionssensor eingesetzt. Die externe Auswertung des Analogsignals des Messwertgebers ist nur in Spezialfällen sinnvoll. Um dieses Signal zu einer Abstandsmessung einsetzen zu können, müssen stark einschränkende Bedingungen beachtet werden. Es muss z. B. vorausgesetzt werden, dass immer das gleiche Objekt oder wenigstens ein genau gleichartiges erfasst werden soll. Außerdem muss es sich dem Sensor immer auf die gleiche Weise nähern, das heißt, es muss mechanisch präzise geführt werden. Die Größe der auftretenden Wirbelstromverluste hängt von einer Reihe von Faktoren ab: Vom Abstand und der Lage des Gegenstandes vor dem Näherungsschalter sowie von den Abmessungen des Gegenstandes und seiner äußeren Form. Entscheidend sind neben seiner elektrischen Leitfähigkeit auch die Permeabilität.
Verschiedene Bauformen
Induktive Näherungssensoren werden in vielen verschiedenen Varianten angeboten. Typische Bauformen stellen die metrische Gewindegehäuse M4, M5, M8, M12, M18 und M30 sowie die quaderförmige Typen dar. Die Sensoren stehen mit verschiedenen Ausgängen wie PNP-, NPN- oder Namur-Ausgang, als messende Sensoren mit Signalen von 0…10 V oder 4 … 20 mA zur Verfügung. Binär schaltende Sensoren lassen sich sowohl in Reihe als auch parallelschalten. Sie werden in 2-Leiter-, 3-Leiter- und 4-Leiter-Technik angeboten. Die Serienschaltung von 3-Leiter-Sensoren ist problemlos möglich, sie wird nur durch die sich addierenden Spannungsabfälle begrenzt. Das Parallelschalten von 3-Leiter- Sensoren ist ebenfalls möglich. Da sich der Innenwiderstand des durchgeschalteten Sensors auf die restlichen Initiatoren mitauswirkt, müssen hier jedoch Entkoppelungsdioden eingesetzt werden. Sensoren mit PNP- oder NPN-Ausgang sind als 3-Leiter-Version aufgebaut (V+, Ausgang und 0 V) und arbeiten mit Gleichstrom. Bei PNP-Sensoren liegt der Lastwiderstand zwischen dem Ausgang und 0 V, während dieser bei NPN-Sensoren zwischen V+ und dem Ausgang liegt. Der PNP-Ausgang wird dadurch beim Schalten mit der positiven Betriebsspannung verbunden (plusschaltender Ausgang), der NPN-Ausgang hingegen wird beim Schalten mit der negativen Betriebsspannung verbunden (minusschaltender Ausgang). Schließer bzw. Öffner definieren die Schaltfunktion. Schließer werden auch als normal offen (NO), Öffner als normal geschlossen (NC) bezeichnet. Bei erfolgter Dämpfung durch ein Objekt stellen Sensoren mit Schließerfunktion Kontaktverbindungen her, während Sensoren mit Öffnerfunktion Verbindungen trennen.
Auflösung und Wiederholgenauigkeit
Die Auflösung analoger induktiver Sensoren entspricht der geringstmöglichen Abstandsänderung, die noch eine messbare Signaländerung verursacht. Die Auflösung wird durch hochfrequente Störungen oder durch die Auflösung der Digital-Analog-Wandler beschränkt. Bei sehr schnellen Messungen wirkt sich das Signalrauschen in vollem Umfang auf die Signalverarbeitung aus. Eine Filterung ist nicht oder nur bedingt möglich, ohne das Nutzsignal zu beeinflussen. Sehr langsame Objektbewegungen bzw. geringe Abtastraten erlauben dagegen die Filterung der hochfrequenten Störungen. Das Trägersignal wird dabei nicht beeinflusst. Dadurch kann im Vergleich zu dynamischen Messungen die Auflösung wesentlich erhöht werden. Die Wiederholgenauigkeit definiert gemäß Norm die Schaltpunktgenauigkeit von aufeinander folgenden Messungen innerhalb von 8 Stunden bei einer Umgebungstemperatur zwischen 18 und 28 °C und bei konstanter Betriebsspannung. Als Ansprechzeit ist die Zeit definiert, die der Signalausgang eines Sensors benötigt, um von 10 % auf 90 % des maximalen Signalpegels zu steigen. Die Linearität definiert die Abweichung des Ausgangssignals gegenüber einer Geraden. Ist eine hohe Linearität gefordert, kommen Sensoren mit linearisierter Ausgangskennlinie zum Einsatz. Mithilfe von Polynomen ist eine mathematische Linearisierung der Sensorkennlinie in der Steuerung möglich.
IO-Link zur Kommunikation
Bei vielen Geräten kann zusätzlich die Schaltfunktion Schließer oder Öffner gewählt werden. Zum Schalten des Ausgangssignals haben sich Halbleiterschalter bzw. Transistoren durchgesetzt, die sich durch eine hohe Lebensdauer, eine hohe Zahl zuverlässiger Schaltspiele, der Schaltfrequenz und des prellfreien Schaltverhaltens auszeichnen. Zur Auswertung der Signale hat sich außerdem IO-Link durchgesetzt. IO-Link integriert die Sensorik vollständig in das gesamte Kommunikationssystem und erlaubt die Kommunikation zwischen Sensoren und Aktoren. Geräte werden erkannt, parametriert und diagnostiziert. Dazu zählt auch die zyklische Abfrage des Sensorzustands mithilfe der Prozessdaten. Informationen wie die Seriennummer oder Parameterdaten wie Empfindlichkeiten, Schaltverzögerungen oder Kennlinien können über das IO-Link-Protokoll gelesen und geschrieben werden. IO-Link ist kein Feldbus, die Technologie bietet vielmehr eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einem Master und einem Gerät. Der IO-Link-Master ist in der Regel in Kombination mit der SPS das Gateway zu Feldbussen wie Profibus, Profinet oder Ethercat. (ge)
