Sensortechnik

Kapazitiver Sensor trotzt hohen Drücken und Temperaturen

Kapazitive Sensoren stoßen an Grenzen, wenn in rauer Umgebung Füllstände zu detektieren sind. Abhilfe verspricht ein neuer Näherungsschalter von Balluff.

| Autor / Redakteur: Thomas Kubasta* / Jan Vollmuth

Der komplette Sensor, der mit einem Schaltabstand von 0,1 bis 2 mm arbeitet, besteht aus dem Sensorkopf, einer 2 m langen Hochfrequenzleitung und dem Auswertegerät mit dem Schaltausgang.
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Der komplette Sensor, der mit einem Schaltabstand von 0,1 bis 2 mm arbeitet, besteht aus dem Sensorkopf, einer 2 m langen Hochfrequenzleitung und dem Auswertegerät mit dem Schaltausgang. (Bild: Balluff)

Kapazitiven Näherungsschalter stoßen an Grenzen, wenn zum Beispiel in besonders rauer Umgebung Füllstände auch über längere Zeit zuverlässig zu detektieren sind. Abhilfe verspricht ein neuer hochtemperatur- und druckfester Näherungsschalter von Balluff im Edelstahlgehäuse.

Kapazitive Näherungsschalter oder Sensoren haben sich in der industriellen Automation bei der Objekt- und Füllstandsmessung einen festen Platz erobert. Mit ihrer Hilfe lassen sich metallische oder nichtmetallische Objekte sowie Flüssigkeiten, Pulver oder Granulate erkennen, selbst durch Behälterwandungen aus Glas- oder Kunststoff hindurch. Sie arbeiten berührungslos, verschleißfrei, sind rückwirkungslos und liefern ein prellfreies Ausgangssignal.

In der Sensortechnik gelten sie als wahre Alleskönner, zumal sie sich von Staub, Sprühnebel, Oberflächenfarbe oder Reflexionen nicht beeinträchtigen lassen. Auch für sie gibt es jedoch Anwendungen, bei denen sie an ihre Grenzen stoßen.

Schwierig wird es für die vielseitig nutzbaren kapazitiven Näherungsschalter zum Beispiel dann, wenn in besonders rauer Umgebung Füllstände auch über längere Zeit zuverlässig zu detektieren sind, etwa bei gleichzeitig hohen Drücken und Temperaturen und das auch noch in direktem Kontakt mit dem Medium. Hersteller von Faserverbundwerkstoffen kennen die damit verbundene Problematik.

Abhilfe verspricht nun ein neuer hochtemperatur- und druckfester Näherungsschalter von Balluff im Edelstahlgehäuse mit einer ebenfalls metallischen aktiven Fläche.

Bei kapazitiven Näherungsschaltern besteht die aktive Fläche üblicherweise aus Kunststoff oder einem anderen, nichtleitenden z.B. keramischen Werkstoff. Die Kunststoffe, z. B. PTFE (Polytetrafluorethylen, besser bekannt unter dem Handelsnamen Teflon) eignen sich zwar für Temperaturen bis ca. 250 °C. Gleichzeitig bestimmt das relativ weiche Material allerdings die mechanischen Grenzen. Druckfeste Sensoren zu erreichen, wird damit kaum möglich.

Keramische Werkstoffe sind zwar belastbarer und trotzen hohen Temperaturen. Im Kompetenzzentrum für kapazitive Sensoren des Sensorikspezialisten Balluff kam man jedoch aufgrund langjähriger Erfahrung beim Einsatz keramischer Werkstoffe bei Temperaturen bis 800 °C zu der Erkenntnis, dass die Keramik zwar prinzipiell gleichzeitig auch hohen Drücken standhalten kann.

Schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist es aber – vor allem bei möglichst kompakter Sensorbauform – eine druckfeste Verbindung zwischen der aktiven Fläche und dem Metallgehäuse zu realisieren, und zwar unabhängig davon, ob diese aus Keramik oder Kunststoff besteht. Die unterschiedlichen Materialeigenschaften wirken sich in beiden Fällen sehr ungünstig aus, vor allem wenn hohe Temperaturen ins Spiel kommen. Bei der Entwicklung ihres hochtemperatur- und gleichzeitig druckfesten kapazitiven Näherungsschalters gingen die Sensorikspezialisten deshalb einen anderen Weg:

Der Steelface-Sensor: Edelstahlgehäuse und aktive Fläche aus Metall

Der neue kapazitive Näherungsschalter der Baureihe HPHT ist in einem kompakten Edelstahlgehäuse der Baureihe M12 untergebracht. Weil seine aktive Fläche ebenfalls aus Metall besteht, verkraftet er Temperaturen bis 180 °C und ist druckfest bis 150 bar. Die außenliegenden Edelstahlelektroden sorgen aber nicht nur für hohe mechanische Stabilität. Der Näherrungsschalter ist so gleichzeitig auch sehr widerstandsfähig gegenüber abrasiven Medien. Seine speziell polierte Oberfläche sorgt zudem dafür, dass selbst adhäsive Stoffe nicht anhaften.

Der komplette Sensor, der mit einem Schaltabstand von 0,1 mm bis 2 mm arbeitet, besteht aus dem Sensorkopf, einer 2 m langen Hochfrequenzleitung und dem Auswertegerät mit dem Schaltausgang. Die Elektronik ist auf die Leitungslänge abgestimmt, sodass Signalverfälschungen ausgeschlossen sind.

Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen fordert robuste Sensoren

Angeregt wurde die Neuentwicklung von der Automobilindustrie. Bei der Herstellung von Formteilen aus Faserverbundstoffen detektieren diese robusten Sensoren jetzt direkt in der Pressform den Befüllungsgrad, während das heiße Gießharz mit etwa 100 bar in die Form fließt. Dazu wird der Sensor so montiert und justiert, dass die in die Form eingelegte Carbonmatte zu ihm einen Abstand von 1 mm hat; er sie aber nicht erkennt. Erst wenn das einlaufende Harz den Zwischenraum gefüllt hat, schaltet der Sensor.

Je nach Größe und Geometrie der Form sind mehrere Näherungsschalter im Einsatz, sodass sich der Befüllungsgrad optimal überwachen lässt, was natürlich der Pressqualität zugute kommt.

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