Sensorik Induktive Sensoren – Aufbau, Funktion, Anwendung

Quelle: konstruktionspraxis

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Induktive Sensoren arbeiten berührungslos, verschleißfrei und detektieren auf kurze Distanzen alle leitfähigen Metalle – von anderen Materialien werden sie nicht beeinflusst. Wie funktionieren diese Geräte, was sind ihre Vor- und Nachteile? Dies erfahren Sie im folgenden Grundlagenbericht.

Aufgrund ihrer Eigenschaften werden induktive Sensoren insbesondere in vielen Bereichen der Automatisierung und Verfahrenstechnik zur Positionsbestimmung und Abfrage von Ieitfähigen Metallobjekten oder für Anwesenheitskontrollen und Zählaufgaben eingesetzt.
Aufgrund ihrer Eigenschaften werden induktive Sensoren insbesondere in vielen Bereichen der Automatisierung und Verfahrenstechnik zur Positionsbestimmung und Abfrage von Ieitfähigen Metallobjekten oder für Anwesenheitskontrollen und Zählaufgaben eingesetzt.
(Bild: gopixa - stock.adobe.com)

Induktive Sensoren – etwa auch Initiatoren, Näherungsschalter oder Positionssensoren genannt – sind äußerst robust. Je nach Bauform und Auslegung widerstehen sie einer ganzen Reihe an Umgebungsbedingungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Sensorik, z. B. starker Verschmutzung, hohen Drücken, hohen mechanischen Belastungen wie Vibrationen, Säuren, Laugen, Öle oder Fremdfeldern von Schweißanlagen, um nur einige zu nennen.

Geeignet für zahlreiche Industrieanwendungen

Induktive Sensoren werden daher insbesondere in vielen Bereichen der Automatisierung und Verfahrenstechnik zur Positionsbestimmung und Abfrage von Ieitfähigen Metallobjekten oder für Anwesenheitskontrollen und Zählaufgaben eingesetzt, beispielsweise in der Kunststoffindustrie, der Automobilindustrie, im Sondermaschinenbau, in der metallverarbeitenden Industrie, in der Lager- und Fördertechnik, der Chemieindustrie sowie in der Druck-, Papier- und Verpackungsindustrie.

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So funktionieren induktive Näherungsschalter

Die Funktionsweise von induktiven Näherungsschaltern basiert auf einem Magnetfeld, das sich an der Frontseite der Geräte ausbildet. Grundlegend hierfür sind zwei Funktionsprinzipien: 1. der kontinuierlich betriebene Schwingkreis, 2. die getaktete Spule.

1. Kontinuierlich betriebener Schwingkreis

Vereinfacht dargestellt bestehen induktive Näherungsschalter, die nach dem Prinzip des kontinuierlich betriebenen Schwingkreises arbeiten, aus einer Spule (Oszillator) unmittelbar hinter dem Sensorkopf (aktive Fläche), gefolgt von der Auswertelektronik und einer Endstufe bzw. einem Verstärker.
Vereinfacht dargestellt bestehen induktive Näherungsschalter, die nach dem Prinzip des kontinuierlich betriebenen Schwingkreises arbeiten, aus einer Spule (Oszillator) unmittelbar hinter dem Sensorkopf (aktive Fläche), gefolgt von der Auswertelektronik und einer Endstufe bzw. einem Verstärker.
(Bild: IPF Electronic)

Die Schwingkreisspule hinter der aktiven Fläche eines Näherungsschalters erzeugt ein kontinuierlich angeregtes elektromagnetisches Wechselfeld, das sich in dem Raum vor der aktiven Fläche ausdehnt. Gelangt ein elektrisch leitfähiges Material in dieses Feld, so werden darin Wirbelströme induziert, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Diese „Bedämpfung“ des Oszillators wird im Ausgangsverstärker des Sensors in ein Schaltsignal umgewandelt.

Aus diesem seit langem bewährten Funktionsprinzip folgt, dass sämtliche leitfähigen Metalle berührungslos erfasst werden können, unabhängig davon, ob sie sich bewegen oder nicht.

Weiterer Vorteil: Das hochfrequente Feld führt zu keiner messbaren Erwärmung oder magnetischen Beeinflussung des zu erfassenden Objektes, sodass induktive Näherungsschalter völlig rückwirkungsfrei arbeiten.

2. Getaktete Spule

Induktive Sensoren, die nach dem Prinzip der getakteten Spule arbeiten, verfügen hinter der aktiven Fläche über eine getaktete Spule anstelle eines Oszillators, gefolgt von einem Impulsgenerator und einem Filter.
Induktive Sensoren, die nach dem Prinzip der getakteten Spule arbeiten, verfügen hinter der aktiven Fläche über eine getaktete Spule anstelle eines Oszillators, gefolgt von einem Impulsgenerator und einem Filter.
(Bild: IPF Electronic)

Induktive Sensoren, die auf diesem Prinzip basieren, verfügen hinter der aktiven Fläche über eine getaktete Spule anstelle eines Oszillators. Das magnetische Feld wird durch periodische, kurze Sendestromimpulse erzeugt, die durch die Spule fließen. Dieses Feld induziert eine Spannung im zu erfassenden Objekt und erzeugt dort einen Wirbelstromfluss. Nach Abschalten des Sendestromimpulses klingt der Wirbelstrom im Objekt ab. In der Folge wird eine Spannung in der Spule rückinduziert. Diese Induktionsspannung bildet ein auswertbares Signal, das im Prinzip unabhängig von Energieverlusten im Feld ist.

Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens: Die Wechselwirkung zwischen dem zu erfassen- den Objekt und der Sendespule ist eher transformatorisch und somit temperaturunabhängig. Auch das Objektmaterial hat hierauf nur einen geringen Einfluss, sodass die vergleichsweise größeren Reichweiten, die mit solchen Sensoren erzielt werden können, weitestgehend materialunabhängig sind. Ausnahmen sind nicht-ferromagnetische Metalle und Objekte mit nur geringer elektrischer Leitfähigkeit.

Das Funktionsprinzip der getakteten Spule ermöglicht es, den Sensor, einschließlich der aktiven Fläche, vollständig in ein Gehäuse aus Edelstahl zu integrieren, sodass solche Geräte besonders robust sind und daher selbst in Anwendungen zuverlässig funktionieren, wo andere Lösungen mitunter bereits versagen können.

Schaltabstände und wie sie ermittelt werden

Der Schaltabstand definiert den Abstand der aktiven Fläche eines Näherungsschalters zu einem metallischen Objekt, bei dem eine Änderung des Schaltzustandes bewirkt wird. Dieser Abstand ist nicht bei allen Metallen gleich. Daher wird für das jeweilige Metall, z. B. Kupfer oder Aluminium, ein sogenannter Korrekturfaktor angegeben. Die größten Schaltabstände erzielen induktive Sensoren mit ferromagnetischen Materialien wie etwa Stahl oder Eisen. Bei anderen Metallen kann die Reichweite je nach Sensorausführung geringer sein.

Zur Ermittlung der Schaltabstände bzw. Nennschaltabstände (Sn) eines Näherungsschalters dient eine sogenannte Normmessplatte. Gemäß der Norm EN 60947-5-2 (Europäische Norm für Niederspannungsschaltgeräte – Teil 5-2: Steuergeräte und Schaltelemente – Näherungsschalter) besteht diese aus einer geerdeten, quadratischen Platte aus Baustahl mit einer Dicke von 1 mm und einer Mindeststreckgrenze von 235 N/mm2. Die Kantenlänge einer Normmessplatte entspricht jeweils dem eingeschriebenen Kreis (Durchmesser) der aktiven Fläche eines induktiven Standardsensors. Ausnahmen sind Geräte mit getakteter Spule, bei denen die Kantenlänge größer sein kann.

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Auf die Größe der aktiven Fläche kommt es an

Grundsätzlich gilt: Je größer die aktive Fläche eines Näherungsschalters, desto größer ist der mögliche Schaltabstand. Es ist allerdings ist auch zu berücksichtigen, dass sich bei einer wesentlich kleineren Materialfläche des zu detektierenden Objektes im Vergleich zur aktiven Sensorfläche der mögliche Schaltabstand reduziert (Geometrieeinfluss). Darüber hinaus korreliert die Größe eines induktiven Sensors und damit die Größe seiner aktiven Fläche mit der Schaltfrequenz des Gerätes. Daher gilt hier: je größer der Sensor, desto geringer die mögliche Schaltfrequenz.

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Im Zusammenhang mit dem Schaltabstand beschreibt die Schalthysterese die Wegdifferenz zwischen dem Einschaltpunkt des Sensors bei einem Objekt, das sich der aktiven Fläche nähert, und dem Ausschaltpunkt, wenn sich das Objekt wieder vom Sensor entfernt. Der Einschaltpunkt liegt immer näher am Sensor als der Ausschaltpunkt. Diese eingebaute Hysterese verhindert ein Hin- und Herkippen des Schaltausgangs bspw. bei mechanischen Vibrationen und liegt üblicherweise im Bereich 5 bis 15 Prozent des Nennschaltabstandes (Sn).

Für Aufgaben im Bereich der Mess- und Regeltechnik integrieren induktive Sensoren einen Analogausgang und liefern somit ein abstandsproportionales Analogsignal von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA.
Für Aufgaben im Bereich der Mess- und Regeltechnik integrieren induktive Sensoren einen Analogausgang und liefern somit ein abstandsproportionales Analogsignal von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA.
(Bild: IPF Electronic)

Neben einem Schaltausgang können Näherungsschalter auch einen Analogausgang für den Einsatz in Bereichen der Mess- und Regeltechnik integrieren. Solche Geräte liefern statt eines Schaltsignals ein abstandsproportionales Analogsignal als Spannung (0 bis 10 V) oder Strom (4 bis 20 mA).

So werden induktive Sensoren eingeteilt

Die Einteilung von induktiven Näherungsschaltern erfolgt in der Regel nach bündig einbaubaren und nicht-bündig einbaubaren Geräten. Diese Unterscheidung ist aber nur dann relevant, wenn das Trägermaterial für den Sensor aus Metall besteht und nach dem Einbau ein undefiniertes Schalten des Gerätes vermieden werden soll. Alle anderen nicht-metallischen Trägermaterialien beeinflussen das Schaltverhalten eines induktiven Sensors indes nicht.

Die Einteilung von induktiven Näherungsschaltern erfolgt in der Regel nach bündig einbaubaren und nicht-bündig einbaubaren Geräten.
  • Bei bündig einbaubaren Sensoren darf sich die aktive Fläche des Sensors auf gleicher Ebene wie das Trägermaterial aus Metall befinden. Die aktive Fläche schließt somit bündig mit dem Trägermaterial ab. Solche Sensoren können natürlich auch nicht-bündig eingebaut werden.
  • Bei nicht-bündig einbaubaren Sensoren darf die aktive Fläche hingegen nicht auf gleicher Ebene wie das Trägermaterial sein, sondern muss aus dem Material herausragen. Ansonsten würde das Trägermaterial, das die aktive Fläche umgibt, das Wechselfeld des Näherungsschalters direkt beeinflussen und somit ein ständiges Durchschalten des Gerätes verursachen.

Freizonen und gegenseitige Beeinflussung bei Standardsensoren

Um die Funktionsweise von Sensoren nicht zu beeinträchtigen, müssen Bereiche um die Geräte von metallischen Werkstoffen freigehalten werden (Freizonen). Bei induktiven Sensoren muss ein metallisches Objekt vor der aktiven Fläche daher mindestens eine Distanz haben, die dem Dreifachen des Nennschaltabstandes (Sn) entspricht.

Werden induktive Sensoren gegenüberliegend eingebaut, sollte der Abstand zwischen den Geräten mindestens das Achtfache der jeweiligen Nennschaltabstände (SN) betragen. Bei Sensoren, die unmittelbar nebeneinander quasi in Reihe installiert sind, muss der Abstand von nicht-bündig eingebauten Sensoren mindestens das Zweifache des Nennschaltabstandes betragen. Der Abstand zwischen bündig eingebauten Geräten sollte hingegen mindestens dem Durchmesser der aktiven Sensorfläche entsprechen.

Vor- und Nachteile induktiver Sensoren

Zu den Nachteilen von induktiven Sensoren zählen:

  • im Vergleich zu anderen Sensortechnologien geringere Reichweiten;
  • Reichweiten sind von Objektgeometrie abhängig (geringe Reichweiten bei kleinen Objekten);
  • Werkstoff des zu detektierenden Objektes beeinflusst Schaltabstand bei Standardgeräten;
  • Reichweite unterliegt Temperatureinfluss (Temperaturdrift);
  • magnetische Felder können Standardgeräte stören;
  • bei aktiver Fläche aus Kunststoff mechanisch nicht stark belastbar, nur begrenzt dicht und chemisch weniger beständig.

Zu den wesentlichen Vorteilen induktiver Sensoren gehören:

  • berührungslose und damit verschleißfreie Detektion;
  • einfach in der Handhabung und Anwendung;
  • Lebensdauer nicht von Schaltzyklen abhängig;
  • äußerst präzise Detektion aller leitfähigen Metalle mit hoher Schaltgenauigkeit;
  • extrem resistent gegenüber vielen Umgebungseinflüssen (z. B. Vollmetallausführungen);
  • unempfindlich gegenüber Vibrationen und Erschütterungen;
  • mögliche Einsatztemperaturbereiche von –60 °C bis zu 450 °C
  • große Typenvielfalt;
  • zahlreiche Bauformen (von Durchmesser 3 mm bis zum Metalldetektor mit 900 mm Breite).

Anbieter von induktiven Sensoren

Die folgende Auswahl von Anbietern und Herstellern erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

  • Autosen
  • Balluff
  • Baumer
  • Contrinex
  • di-soric
  • Dietz Sensortechnik
  • Distrelec
  • Festo
  • Keyence
  • IFM Electronic
  • IPF Electronic
  • Meusburger
  • Micro-Epsilon
  • Pulsotronic
  • Rechner Sensors
  • Sensopart
  • Sick
  • Turck
  • Waycon
  • Wenglor

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