Kapazitive Sensoren erfassen zahlreiche Medien

Inhaltsverzeichnis
1. Der Kondensator als Messfühler
2. Kapazitive Sensoren für unterschiedliche Applikationen
3. Beschleunigungs-, Weg- und Winkelsensoren
4. Ausgewählte Dielektrizitätskonstanten

 

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Die Beeinflussung der Kapazität durch das zu erfassende Objekt oder das Medium kann dabei auf verschiedene Art erfolgen, die primär durch den Verwendungszweck bestimmt sind. Verschiedene Faktoren führen dabei zur Änderung der Kapazität. So ändert beispielsweise die mechanische Verschiebung einer Platte die Kapazität. Sind die Platten starr angeordnet, kann ein elektrisch leitfähiges oder ein Dielektrikum bzw. deren Positionsänderung in der Nähe der Platten zu einer Kapazitätsänderung führen. Nicht zuletzt hat das vom Drehkondensator bekannte Prinzip einen Einfluss auf das Messergebnis, wenn eine Platte des Kondensators verdreht wird; beispielsweise bei der Positions- oder Drehwinkelmessung.

Damit ein kapazitiver Sensor präzise messen kann und um auch geringe Änderungen zu erkennen, ist ein besonderer Aufbau erforderlich. Deshalb ist die eigentliche Messelektrode in der Regel von einer Schirmelektrode umgeben, die den inhomogenen Randbereich des elektrischen Felds von der Messelektrode abschirmt. So ergibt sich zwischen der eigentlichen Messelektrode und der geerdeten Gegenelektrode ein annähernd paralleles elektrisches Feld mit der bekannten Charakteristik eines idealen Plattenkondensators. Bei der Wegmessung wird der Aufbau durch eine zusätzliche Schirmelektrode ergänzt.

Der Kondensator als Messfühler

Die kapazitive Erfassung von Objekten ist eine berührungslose Technologie zur Erfassung metallischer, nicht metallischer, fester oder flüssiger Medien. Aufgrund ihrer technischen Eigenschaften eignen sich kapazitive Sensoren im Vergleich zu induktiven Sensoren am besten zur Erfassung nicht metallischer Objekte. Für die meisten Applikationen mit Metallobjekten werden induktive Sensoren bevorzugt, weil diese sowohl zuverlässig sind als auch die kostengünstigere Technologie darstellen. Kapazitive Sensoren sind im Hinblick auf Größe, Gestalt und Funktionsweise mit induktiven Komponenten vergleichbar.

Der hinter der Schaltfläche angeordnete Messfühler ist eine Kondensatorplatte. Wird der Sensor mit Strom versorgt, so wird ein elektrostatisches Feld erzeugt, das auf Kapazitätsänderungen reagiert, die durch ein Objekt verursacht werden. Ist das Objekt außerhalb des elektrostatischen Feldes, so ist der Oszillator nicht aktiv. Nähert sich das Objekt, so tritt eine kapazitive Kopplung zwischen Objekt und kapazitivem Fühler auf.

Die Fähigkeit des Sensors, ein Objekt zu erfassen, wird bestimmt durch die Objektgröße, die Dielektrizitätskonstante und den Abstand vom Messfühler. Die Dielektrizitätskonstante ist eine Materialeigenschaft. Materialien mit großer Dielektrizitätskonstante sind einfacher zu erfassen als solche mit geringen Werten. Je größer ein Objekt und dessen Dielektrizitätskonstante ist, um so stärker ist die kapazitive Kopplung zwischen Objekt und Messfühler. Je kürzer der Abstand zwischen Objekt und Messfühler, um so stärker ist die kapazitive Kopplung zwischen Objekt und Messfühler. Kapazitive Sensoren bestehen aus den Basiskomponenten kapazitiver Messfühler bzw. Platte, Oszillator-Elektronik, Signalpegelabtaster sowie Halbleiterelektronik als Schaltausgang.

Kapazitive Sensoren für unterschiedliche Applikationen

Wird der kapazitive Sensor zum Messen von Drücken eingesetzt, wird die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membran und der resultierenden Änderung des Plattenabstandes als Sensoreffekt ausgewertet. Die Membran wird hierbei wie beim Kondensatormikrofon als Kondensatorplatte ausgebildet. Die Kapazitätsänderungen sind gering, sodass eine leistungsfähige Elektronik die Änderungen auswerten muss. Wird der Sensor als Differenzdrucksensor aufgebaut, erfasst er mittels Differenzialkondensators den Druckunterschied zweier Gase bzw. Flüssigkeiten.

Beim kapazitiven Abstandssensor bilden die Messelektrode sowie das Objekt einen Kondensator, wobei der Abstand die Kapazität bestimmt. Da jedoch Abstands- und Kapazitätsänderung nicht linear voneinander abhängig sind, ist das Verfahren nur für Abstände geeignet, die klein gegenüber dem Sensordurchmesser sind. Das Messprinzip eignet sich Abstands- und Dickenmessung, bei Näherungsschaltern, für Spaltsensoren oder zur präzisen Positionierung bis in den Nanometerbereich.

Die Funktion des kapazitiven Näherungsschalters beruht auf der Änderung des elektrischen Feldes vor seiner Sensorelektrode. Der Sensor arbeitet mit einer Oszillatorschaltung. Es wird die Kapazität zwischen der aktiven Elektrode und der Gegenelektrode gemessen. Durch die Annäherung eines metallischen oder nicht metallischen Stoffes an die aktive Zone des Sensors vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des RC-Oszillators. Diese Änderung bewirkt, dass eine nachgeschaltete Triggerstufe kippt und ihren Ausgangszustand ändert.

Beschleunigungs-, Weg- und Winkelsensoren

Wird der kapazitive Sensor als Beschleunigungssensor genutzt, kommt in der Regel ein Differenzialkondensator zum Einsatz, bei dem die mittlere Platte als federndes Pendel konstruiert wird. Beschleunigungen verschieben die Platte, sodass sich das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren ändert. Dabei besteht ein nicht linearer Zusammenhang zwischen Auslenkung und Kapazitätsänderung. Bei geringen Auslenkungen ist der Verlauf linear, sonst ist eine elektronische Linearisierung erforderlich. Kapazitive Weg- oder Winkelsensoren basieren auf dem Effekt, dass sich durch die Bewegung der Platten zueinander die Kapazität ändert.

Auch zur Messung von Feuchtigkeit in Gasen oder festen Objekten eignet sich das kapazitive Prinzip. Entscheidend für das Ergebnis ist die Dielektrizitätskonstante des Materials. Ändert sich diese aufgrund von Feuchtigkeit, lässt sich ein Messergebnis erzielen. Kapazitive Hygrometer nutzen ein Dielektrikum, das das Wasser aus der Luftfeuchte absorbiert und gut mit der relativen Luftfeuchte korreliert. (ge)

Ausgewählte Dielektrizitätskonstanten

(Quelle: Rockwell Automation)

• www.automation24.de
• www.autosen.com
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• www.sick.de
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