Hochtemperatursensorik Spezialisten für hohe Temperaturen

Redakteur: Jan Vollmuth

Induktive Hochtemperatursensoren sind häufig unverzichtbar, wo es „heiß her geht“: sei es etwa im Kunststoffspritzguss, in Gießereien oder in Lackieranlagen. Bei ihrer Auswahl ist vor allem die konkrete Applikation ausschlaggebend.

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Durch einen speziellen Aufbau des zweiteiligen Sensorsystems kann die Kabellänge zwischen Sensorkopf und Verstärker völlig variabel gewählt werden, was die Flexibilität dieser Geräte in der Anwendung entscheidend erhöht.
Durch einen speziellen Aufbau des zweiteiligen Sensorsystems kann die Kabellänge zwischen Sensorkopf und Verstärker völlig variabel gewählt werden, was die Flexibilität dieser Geräte in der Anwendung entscheidend erhöht.
(Bild: ipf electronic)

Bei der Wahl eines induktiven Hochtemperatursensors spielen viele Faktoren eine Rolle: Wichtigstes Kriterium ist seine konkrete Aufgabe in einer spezifischen Applikation und wie hoch die maximale Temperaturverträglichkeit hierfür sein muss. Hinzu kommen die Einbausituation und der erforderliche Schaltabstand.

Wie funktionieren induktive Hochtemperatursensoren? Vereinfacht bestehen sie aus einer Spule (Oszillator) unmittelbar hinter dem Sensorkopf, gefolgt von der Auswerteelektronik und einer Endstufe bzw. einem Verstärker. Sobald eine Speisespannung angelegt wird, beginnt der Oszillator zu schwingen, wodurch ein elektrisches Feld entsteht. Dieses Feld wird durch einen in der Spule befindlichen Ferritkern nach vorn zur aktiven Fläche hin ausgerichtet. Ein sich näherndes metallisches Objekt entzieht diesem Schwingkreis Energie; die Oszillatorspannung wird kleiner. Dies wird von der Auswerteeinheit detektiert, die den Ausgangsverstärker beim jeweils eingestellten Schaltabstand aktiv schaltet – das Objekt ist erkannt.

Bei ipf electronic sind mit Hochtemperatursensorik induktive Sensoren für einen Temperaturbereich von 130 °C bis maximal 230 °C gemeint. Ab 180 °C wird der Elektronik einiges abverlangt, zumal jedes Bauteil durch den Stromfluss erwärmt wird. Die Verlustleistung solcher Bauteile, die aufgrund der Differenz zwischen aufgenommener Leistung und der gewünschten Abgabeleistung vor allem durch den Wärmestrom entsteht, fällt mit steigender Temperatur der Umgebung weiter ab, womit letztendlich die Leistungsfähigkeit der Bauteile sinkt.

Daher kommt der Auswahl von elektronischen Bauteilen, die für eine Dauereinsatztemperatur von 200 °C und mehr geeignet sind, bei solchen Sensoren eine besondere Bedeutung zu. Ähnliches gilt für die Spulensysteme und Ferrite sowie die Leiterplattenmaterialien. Bei diesen spielt nicht nur deren hohe Temperaturbeständigkeit sondern auch die Ausdehnung in x- und y-Richtung eine Rolle: Bei unpassender Ausdehnung des Leiterplattenmaterials würden die elektronischen Bauteile von der Platine gerissen.

Neben extremer Dauerhitze müssen induktive Hochtemperatursensoren hohen inneren Drücken standhalten. Luft dehnt sich bei Erwärmung aus: Dadurch kann im Sensorinneren ein Druck von rund 1,3 bar entstehen. Angesichts solcher Kräfte ist die richtige Mechanik insbesondere bei silikonfreien und hochdichten Sensoren für Temperaturen bis 230 °C entscheidend. Ein Grund, warum bei den silikonfreien Sensor-Bauformen IB/IN 30 (M30 x 1,5) von ipf electronic die bislang verklebten Gehäusekappen nun mit einem Gewinde fest fixiert sind.

Da jedes Bauteil eines Sensors darüber hinaus unter Temperatureinwirkungen seine technischen Eigenschaften verändert, besteht mit Blick auf den richtigen Temperaturdrift zudem die größte Herausforderung darin, die Schaltung eines Sensors so zu dimensionieren, dass alle Veränderungen der Bauteile nicht zu einer Veränderung des gesamten Sensors führen.

Bei silikonhaltigen Sensoren besteht die Gefahr des Ausgasens

Im Zusammenhang mit der mechanischen Auslegung eines Hochtemperatursensors wurde bereits die Eigenschaft „silikonfrei“ genannt. Die meisten verfügbaren „weichen“ Elektronik-Vergussmaterialien für eine permanente Einsatztemperatur über 180 °C sind jedoch silikonhaltig.

Insbesondere Hersteller und Betreiber von Lackieranlagen verlangen mit Blick auf eine hohe Prozesssicherheit silikonfreie Hochtemperatursensoren. Auch das Ausgasen von Silikon bei hohen Temperaturen kann Probleme bereiten. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von induktiven Sensoren in KTL-Anlagen. Die KTL (Kathodische Tauchlackierung) ist ein bewährtes Verfahren zur Beschichtung von Fahrzeugteilen für den Korrosionsschutz. Induktive Hochtemperatursensoren werden hier in Einbrennöfen zur Positionsabfrage etwa von Hubvorrichtungen nach der kathodischen Tauchlackierung (KTL) eingesetzt. Würden hier eingesetzte Sensoren Silikon als Vergussmaterial verwenden, könnte dieses ausgasen. Diese Ausgasungen würden sich in der Anlagenumgebung verteilen und im schlimmsten Fall auf den unbeschichteten Fahrzeugteilen niederschlagen.

Für solche oder ähnliche Anwendungen verwendet ipf electronic daher silikonfreie Sensoren auf Basis eines Keramikvergusses, mit dem die Näherungsschalter Temperaturen von maximal 230 °C standhalten.

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Zu Begin des Beitrags wurde die besondere Herausforderung bei der Auswahl von Bauteilen beschrieben. Technisch ist es im Moment unmöglich, die Geräte für einen Temperaturbereich bis 230 °C so auszulegen, dass die komplette Elektronik in einem Gehäuse und damit im „Heißbereich“ zum Einsatz kommt. Daher werden derartige Systeme in der Regel zweiteilig ausgeführt, wobei sich der Sensorkopf am Abfrageort und die Auswerteeinheit im Kaltbereich befindet.

Die Kabellänge zwischen Sensorkopf und Verstärker ist variabel

Ein Manko solcher Lösungen: Die Leitungslänge zwischen Sensorkopf und Verstärker ist unveränderbar vorgegeben. Zusätzlich hat die Trennung der Spule von der Auswertelektronik den Nachteil, dass sich die Kabellänge negativ auf den erzielbaren Schaltabstand des Sensors auswirkt.

Nicht so bei den induktiven Sensoren für Einsatztemperaturen bis +230 °C von ipf electronic. Durch einen speziellen Aufbau des zweiteiligen Sensorsystems kann die Kabellänge zwischen Sensorkopf und Verstärker völlig variabel gewählt werden, was die Flexibilität dieser Geräte in der Anwendung entscheidend erhöht. (jv)

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