Positionssensoren Näherungsschalter und ihre Einsatzbereiche

Autor / Redakteur: Norbert Matthes, Ellen-Christine Reiff* / Ute Drescher

Die Anzahl der zur Fertigungskontrolle eingesetzten Sensoren wächst, der Einbauplatz kann knapp und hohe Funktionssicherheit ist obligatorisch. Moderne Näherungsschalter haben die Herausforderungen angenommen und sich den gestiegenen Anforderungen angepasst.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Näherungsschalter arbeiten als Signalgeber für verschiedene Steuerungsabläufe, sichern Gefahrenbereiche oder üben andere wichtige Kontrollfunktionen aus. Sie arbeiten meist induktiv, photoelektrisch, mit Ultraschall oder kapazitiv. Trotz ihrer unterschiedlichen Funktionsweisen und der verschiedenen Einsatzbereiche haben die Näherungsschalter jedoch mindestens eine Gemeinsamkeit: Sie arbeiten kontaktlos, also praktisch verschleißfrei und sind weitgehend unabhängig von Umgebungseinflüssen. Auf Basis der unterschiedlichen Funktionsprinzipien lässt sich für praktisch jede Aufgabenstellung eine passende Lösung finden:

Induktive Näherungsschalter sind relativ preisgünstig

Die relativ preisgünstigen induktiven Näherungsschalter beispielsweise bieten sich für die Detektion aller leitfähigen, metallischen Objekte an. Sie sind robust, schmutzunempfindlich und einfach zu handhaben. Die ersten induktiven Näherungsschalter kamen bereits Anfang der 60er Jahre auf den Markt und haben sich seitdem ein breites Anwendungsfeld erschlossen.

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Trotz vieler technischer Verbesserungen blieb jedoch ein wesentlicher Nachteil lange bestehen, nämlich der im Verhältnis zur Baugröße relativ geringe Schaltabstand. Dank spezieller Oszillatorprinzipien hat sich das jedoch geändert. So bietet Contrinex heute eine breite Palette induktiver Näherungsschalter an, deren Schaltabstände drei- bis viermal so groß sind, wie in der Norm festgelegt.

Condet-Näherungsschalter haben höhere Schaltabstände

Ein typisches Beispiel dafür liefern die Condet-Näherungsschalter. Sie erzielen dreifache Schaltabstände nicht nur auf Stahl, sondern auch auf Buntmetalle wie Messing oder Aluminium. Die prinzipielle Funktionsweise ist einfach zu verstehen. Während normale induktive Näherungsschalter die Dämpfung eines Schwingkreises auswerten, sind die Condet-Geräte ähnlich wie ein Transformator aufgebaut.

Hinter der aktiven Fläche befindet sich eine Spule, die einen kurzen Stromimpuls aussendet. Nach dem abrupten Abbruch dieses Impulses wird das Objekt zur Primärwicklung, die eine Spannung in die geräteseitige Spule „rückinduziert“. Diese wird danach ausgewertet. Die Schaltabstände, die sich auf diese Weise realisieren lassen reichen von 3 mm (M8, bündig eingebaut) bis 40 mm (M30, nicht bündig eingebaut). Die Sensoren im komplett geschlossenen korrosionsbeständigen Ganzmetallgehäuse aus V2A- bzw. V4A-Edelstahl eignen sich für Anwendungen im Automobilbau ebenso wie für den Einsatz auf Schiffen im Off-Shore-Bereich, in der Lebensmittelindustrie oder an Werkzeugmaschinen. Sie sind beständig gegen Heißwasser, Reinigungsmittel und scharfkantige, heiße Späne.

Aufgrund der größeren Schaltabstände der Contrinex-Technologie lassen sich in vielen Anwendungsfällen kleinere Näherungsschalter einsetzen. Außerdem vereinfacht sich die Montage, weil größere Abstände auch größere Toleranzen zulassen. Die Miniaturisierung hat dazu ein Übriges beigetragen.

Die kleinsten messen 3 mm im Durchmesser

Die kleinsten heute in Serie gefertigten induktiven Näherungsschalter mit integrierter Auswerteelektronik haben einen Durchmesser von lediglich 3 mm bzw. ein M4-Feingewinde bei einer Gehäuselänge von nur 22 mm. Das entspricht etwa den Abmessungen eines Streichholzes. Die Schaltabstände des Winzlings liegen bei 0,6 mm bzw. beachtlichen 1,0 mm. In der Baugröße Durchmesser 4 mm bzw. M5 lassen sich bis 2,5 mm bei voll bündiger Einbauweise realisieren.

Photoelektrische Sensoren für metallische Objekte

Für nicht metallische Objekte eignen sich in vielen Fällen photoelektrische Sensoren. Weil es Einweglichtschranken, Reflexionslichttaster und Reflexionslichtschranken gibt, sind sie sehr vielseitig und stoßen lediglich bei durchsichtigen oder spiegelnden Materialien an ihre Grenzen. Auch hier geht heute ein ausgeprägter Trend zu kleinen, zylindrischen Bauformen.

Aufgrund neuer Optikprinzipien gibt es zylindrische photoelektrische „Zwerge“, die einen Durchmesser von lediglich 4 mm bzw. ein M5-Gewinde haben. Die Kabelausführung ist nur 35 mm lang und die Steckerausführung 45 mm. Der Reflexionslichttaster detektiert über eine Distanz von 50 mm, Lichtschranken sogar bis 250 mm. Dabei bleibt durch moderne Fertigungstechniken trotz der hohen Integrationsdichte der Preis für die miniaturisierten Lichtschalter im wirtschaftlich interessanten Rahmen. Dadurch sind die photoelektrischen Miniatursensoren eine ernstzunehmende Alternative zu induktiven Näherungsschaltern, wenn deren Schaltabstände nicht ausreichen oder die zu detektierenden Objekte aus nichtmetallischen Materialien bestehen.

Lichtleitergeräte haben hohen technischen Stand erreicht

Auch auf die Lichtwellen-Leitertechnik haben die Entwicklungen in der Optoelektronik Auswirkungen. So haben die weit verbreiteten Lichtleitergeräte für die Montage auf DIN-Schiene einen hohen technischen Stand erreicht. Die Geräte, die Contrinex entwickelt hat, sind 10 mm breit und lassen sich lückenlos aneinander reihen. Sie eignen sich für Schaltabstände von 0 bis 200 mm, Schaltfrequenzen von 1,5 kHz und 5 kHz stehen zur Wahl, so dass auch zeitlich kurze Vorgänge erfasst werden können.

Für transparente Objekte gibt es Blaulichtausführungen mit bis 100 mm Schaltabstand. Für viele Applikationen interessant sind außerdem Kunststofflichtleiter mit parallelem Lichtaustritt, die auch bei kritischen Einbaulagen zuverlässige Ergebnisse liefern, z.B. beim Einbau in Hülsen.

Ultraschallsensoren sind teuer, detektieren aber fast alles

Ultraschallsensoren werten die Reflexion eines Ultraschallsignals an einem Hindernis aus. Sie sind zwar etwas teurer, als induktive und photoelektrische Näherungsschalter, dafür können sie aber fast alle denkbaren Objekte detektieren, egal ob sie fest, pulverförmig, flüssig oder körnig sind. Die Objekte dürfen durchsichtig, eingefärbt, beliebig geformt, poliert oder matt sein.

Dabei arbeiten die Geräte sehr zuverlässig und sind obendrein robust. Eine gegenseitige Beeinflussung mehrerer Geräte lässt sich auch bei kleinen Montageabständen durch Synchronisation oder Betreiben im Multiplex-Modus verhindern. Ultraschallsensoren eigen sich auch für die Detektion über weite Distanzen; Anwendungsmöglichkeiten in der modernen Automatisierungstechnik gibt es dadurch viele. Lediglich bei extrem hohen Temperaturen müssen sie passen und bei Sicherheitsanwendungen sind sie nicht erlaubt.

Reflexionstaster und -schrankten gibt es in M18- und M30-Ausführung

Die Geräte aus dem Contrinex-Programm gibt es als Reflexionstaster oder Reflexionsschranke in den im Maschinen- und Anlagenbau weit verbreiteten M18- und M30-Ausführungen, in unterschiedlichen Baulängen und auch mit abgewinkeltem Sensorkopf. Geräte mit Hintergrundausblendung decken ebenso Entfernungen bis 6000 mm ab wie die Reflexionsschranken/-taster.

Zur optimalen Anpassung an die Applikation lassen sie sich über ein PC-Interface-Gerät programmieren. Einstellbar sind beispielsweise Anfang und Ende des Schaltbereichs, die Schaltfrequenz, Schließer- oder Öffner-Funktion, Mittelwertbildung, Temperaturkompensation und die Empfindlichkeit. Die Werte können abgespeichert oder ausgedruckt werden, was die Dokumentation und Wartung der Anlage erleichtert.

Kapazitive Näherungsschalter sind robust und vielseitig einsetzbar

Auch kapazitive Näherungsschalter sind sehr robust und vielseitig einsetzbar, vor allem deshalb, weil sie sich für die Detektion sowohl metallischer als auch nichtmetallischer Objekte eignen. Ihre aktive Fläche enthält Elektroden, mit deren Hilfe die dielektrischen Verhältnisse in der Umgebung wahrgenommen werden. Je nach Abstand und Material des Messobjekts ändert sich die Kapazität in der Messzone.

Da sie auf diese Weise auch durch (nichtmetallische Trennwände) hindurch detektieren können, eignen sie sich besonders zur Füllstandsüberwachung von Flüssigkeiten, Pasten oder Schüttgütern. Sie werden im Maschinen- und Anlagenbau aber auch gerne als Endschalter, berührungslose Grenztaster sowie als Impulsgeber für Zählaufgaben eingesetzt. Kein Wunder also, dass neuerdings auch zahlreiche Ausführungen dieser Näherungsschalter zum Programm des Sensorik-Spezialisten gehören.

Für den bündigen oder nichtbündigen Einbau

Die kapazitiven Näherungsschalter sind in zylindrischen M12-, M18 oder M30-Gehäusen aus widerstandsfähigem Kunststoff oder aus Metall untergebracht; das elektronische Innenleben ist komplett vergossen; Erschütterungen beeinträchtigen dadurch die Funktion nicht. Die maximalen Schaltabstände liegen je nach Typ zwischen 4 mm und 15 mm. 4-Draht- und 2-Draht-Varianten stehen ebenso zur Wahl wie Ausführungen für den bündigen oder nichtbündigen Einbau.

Sensoren für den bündigen Einbau lassen sich dicht an dicht anordnen und eignen sich besonders für die berührungslose Erfassung von Festkörpern oder Flüssigkeitsfüllständen durch Nichtmetall-Trennwände (maximale Wandstärke 4 mm) hindurch. Für Anwendungen, bei denen das Medium direkt mit dem Sensorkopf in Berührung kommt, sind nichtbündig eingebaute Sensorausführungen besser geeignet, z.B. wenn Füllstände von Schüttgütern, Pasten oder Flüssigkeiten detektiert werden sollen. Für praktisch jede Aufgabenstellung lässt sich also eine „maßgeschneiderte“ Näherungsschalterausführung finden.

*Norbert Matthes ist Produkmanager bei der Contrinex GmbH, Nettetal, Ellen-Christine Reiff arbeitet für das Redaktionsbüro Stutensee.

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