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Schulungsunterlagen Strömungswächter (Stand August 1999)

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1. ifm electronic Optimierung und L sung von technischen Abl ufen durch Sensorik Kommunikations und Steuerungssysteme Schulungsunterlagen eferkor so efercbor eo Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren ifm electronic Schulungsunterlagen Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren V1 5 Hinweis zur Gew hrleistung S mtliche auf diesem Datentr ger ver ffentlichten Daten sind geistiges Eigentum der ifm bzw wurden uns teilwei se von Kunden oder Lieferanten zur exklusiven Nutzung berlassen Wir weisen ausdr cklich darauf hin dass jedwede Verwertung insbesondere Vervielf ltigung Verbreitung und Ausstellung sowie Bearbeitung oder Umges taltung nur nach vorheriger schriftlicher Zustimmung durch ifm zul ssig ist Diese Schulungsunterlagen wurden unter Beachtung der gr tm glichen Sorgfalt erstellt Gleichwohl kann keine Garantie f r die Richtigkeit und Vollst ndigkeit des Inhalts bernommen werden Da sich Fehler trotz intensiver Bem hungen nie vollst ndig vermeiden lassen sind wir f r Hinweise jederzeit dank bar ifm electronic gmbh Abteilung VTD STV Teichstr 4 45127 Essen Tel 0201 2422 0 Internet www ifm com Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1 1 2 1 3 Sensoren in industriellen Prozessen Kapazit t Dielektrizit tskonstante 2 Eigenschaften kapazitiver Sensoren 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 3 1 3 2 3 3 3 4 3
2. Objekt ist geladen Damit kann der Begriff der Kapazit t auch umschrieben werden Zun chst soll noch an eine Eigenschaft von elektrischen Ladungen erinnert werden Diese ben Kr fte aufeinander aus gleichnamige sto en sich ab un gleichnamige ziehen sich an M chte man auf ein bereits geladenes Ob jekt weitere gleiche Ladungen bringen dann muss man diese bzw ihre Tr ger gegen die absto ende Kraft bewegen Das bedeutet es muss Arbeit geleistet werden Ein Ma f r die elektrische Arbeit ist die elektrische Spannung Man kann nun Anordnungen von Lei tern Kondensatoren dadurch charakterisieren wie viel Arbeit ben tigt wird um sie zu laden Damit ist es nahe liegend die Kapazit t wie folgt zu definieren C c o C 1 F 1 Farad elektrische Kapazit t Q 1 C 1 Coulomb elektrische La dung U 1 V 1 Volt elektrische Spannung In Worten die Kapazit t ist umso gr er je mehr Ladung bei einer be stimmten Spannung auf ein Objekt flie t Bei einer Ma einheit lohnt es sich diese Frage zu stellen um in Gef hl f r die Gr enordnung zu bekommen 1 F ist sehr viel So hohe Kapazit ten lassen sich nur schwer realisieren Kondensatoren sind elektrische Bautei le die die Aufgabe haben elektrische Ladungen aufzunehmen 1 mF ist daf r schon recht gro typisch sind eher pF Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 7 Erinnerung Plattenkondensator ifm electronic Bei kapazitiven S
3. ab Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 18 pF Schwingkreis ifm electronic Abstand und der Lage des Gegenstandes vor dem Sensor Abmessungen des Gegenstandes und seiner u eren Form Seiner spezifischen Dielektrizit tskonstanten Die Werte der nderung sind vergleichsweise gering Die kleinsten eini germa en reproduzierbar auswertbaren Werte liegen in der Gr enord nung von 0 1 pF siehe 1 2 2 2 2 Signalerzeugung Es geht also darum eine Kapazit ts nderung auszuwerten Dazu gibt es verschiedene M glichkeiten Zuerst werden kurz Techniken beschrieben die bei fr heren efectoren benutzt wurden Den Kondensator kann man sich hnlich wie die Spule des induktiven Sensors als Komponente eines Schwingkreises vorstellen Dieser Schwingkreis wird neben der Resonanzfrequenz angeregt Die Frequen zen lagen wie beim induktiven Prinzip zwischen 100 kHz und 1 MHZ Er schwingt also mit geringer Amplitude ndert sich die Kapazit t nach 3 kann sie nur anwachsen so ver schiebt sich die Resonanzfrequenz die Amplitude w chst Trotzdem sagt man der Sensor ist bed mpft Diese Darstellung ist etwas vereinfacht Realisiert wurde nicht ein einfacher LC Schwingkreis sondern ein nichtli nearer Oszillator vom Typ Wien Robinson Dieses Prinzip ist aber emp findlicher gegen St rungen als das induktive Hochfrequente Streufelder z B von Sendern k nnen ber die als Antennen wirkenden Elektroden ein geko
4. chenausdehnung vorausgesetzt etwa die H lfte des Nennschaltabstandes betragen sollte In der Praxis ist ein anderer Begriff h ufig von Bedeutung n mlich die Wie derholgenauigkeit auch Reproduzierbarkeit genannt Man fragt dabei wie der Schaltpunkt streut wenn der Sensor mehrfach vom gleichen Objekt in der gleichen Weise angefahren wird Die m glichen Toleranzen stehen damit nur indirekt in Zusammenhang und sollten nicht damit verwechselt werden Die Wiederholgenauigkeit ist beim kapazitiven Sensor geringer als z B beim induktiven Sensor Welche Auswirkungen hat es wenn sich weitere detektierbare Objekte z B die Wand eines feststehenden Geh uses oder eine Ablagerung von Sp nen in der N he des Sensors befinden Man sagt dann der efector ist vorbed mpft Das bedeutet dass der Sensor durch diese Objekte schon beeinflusst wird allerdings noch nicht durchschaltet Das hat zur Folge dass nur noch ein geringer zus tzlicher Einfluss n tig ist z B durch ein weiter entferntes oder kleineres Objekt damit der Aus gang geschaltet wird Der Sensor ist also empfindlicher geworden der Schaltabstand hat sich vergr ert Dieser Fall sollte also nach M glichkeit vermieden werden weil sich dadurch das Risiko von Fehlschaltungen er h ht Der kapazitive Sensor wird aber gerade bei typischen Applikationen siehe 4 so eingesetzt dass er durch Objekte z B die Wand eines Gef es beeinflusst wird Dann muss er so eingestellt we
5. zeigt dann den tats chlichen F llstand an Das Ger t mit 4 DO kann als quasi analoges Ger t im Bin rmodus betrie ben werden Der F llstand wird dann durch 4 Bits also aufgel st in 16 Schritte ausgegeben Die weiteren Parameter entsprechen weitgehend denen bei Druck und Temperatur siehe Schulungsunterlagen Drucksensoren und Schulungsunterlagen Temperatursensoren Dort werden auch die Begriffe Hysterese und Fenster ausf hrlicher beschrieben Hier sollen sie kurz dar gestellt werden Der Ablauf der Programmierung ist in der Abbildung 35 gezeigt Die Mode Enter Taste dient zur Auswahl des gew nschten Men punktes M chte man den Parameter nur kontrollieren gen gt es die Set Taste kurz anzutippen Wie er ver ndert wird ist der Abbildung 34 und Abbildung 35 zu entnehmen Ein Beispiel f r die Einstellung des Schaltpunktes findet sich im Internet unter der Bezeichnung Virtuelle Produktbedienung f r den elektronischen analogen F llstandsensor 3 5 4 Elektrische Daten und weitere Eigenschaften Die elektrischen Daten der Ausg nge zeigen keine Besonderheiten Hier sollen nur die wesentlichen Werte die nat rlich auch im Datenblatt zu fin den sind kurz aufgef hrt werden Betriebsspannung V 18 30 DC Strombelastbarkeit mA 200 bei 1 DO 1 AO 400 bei 4 DO Kurzschlussschutz getak tet Verpolungssicher berlastfest Spannungsfall V lt 2 5 Stromaufnahme mA lt 80 Kapazitive Sensoren und F llstandsen
6. Gegenstand im Bereich der aktiven Schaltzone ist der Ausgang durchgeschaltet Da der Schaltausgang des Sensors mit einem Halbleiterschalter Transis tor Thyristor Triac ausgestattet ist tritt im eingeschalteten Zustand ein geringer Spannungsfall gelegentlich auch als Spannungsabfall bezeich net in Reihe zur Last auf Bei der Zweileitertechnik dient der Spannungs fall gleichzeitig dazu die Elektronik des Sensors mit Energie zu versorgen Die H he des Spannungsfalls h ngt vom Typ ab und liegt zwischen 2 5 V DC und 6 5 V AC DC Die Stromaufnahme ist der Eigenstromverbrauch des Sensors im gesperr ten Zustand ber den Ausgangstransistor flie t bei gesperrtem Ausgang ein sehr geringer Leckstrom von ca 0 1 mA open collector Die Dauerstrombelastbarkeit gibt den Strom an mit dem ein Sensor im Dauerbetrieb belastet werden kann Die Kurzzeitstrombelastbarkeit gibt den H chstwert des Stromes an der f r eine bestimmte Zeit im Einschaltmoment flie en darf ohne den Sensor zu zerst ren Besonders Wechselspannungsger te sind so ausgelegt dass sie wegen hoher Einschaltstr me von vielen Wechselstromlasten Signallampen Sch tze kurzzeitig mit dem sechsfachen Nennstrom belastet werden k nnen Unter Schaltpunktdrift versteht man die Verlagerung des Schaltpunktes bei Ver nderung der Umgebungstemperatur Der Ausgang eines Sensors wird berlastfest genannt wenn er alle Str me zwischen Nennlaststrom und Kurzschlu
7. RR Farbring rot JUW Kinderwagen IRB Farbring blau JE Einschaltintervall NI erh hte St rfestigkeit Noise Immunity Bi Polypropylen Kein Standard Sondergerat Stand 2000 7 Kleines technisches Lexikon Aktive Fl che Die aktive Fl che ist die Fl che am Sensor an der das elektrische Streu feld austritt durch welches Material bei Ann herung erfasst wird Aktive Schaltzone Die aktive Schaltzone ist der Bereich vor der aktiven Fl che in dem der Sensor auf die N herung von bed mpfendem Material reagiert d h seinen Schaltzustand ndert Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 58 Arbeitsschaltabstand Sa Bereitschaftsverz gerungszeit Betriebsspannung Geh usewerkstoffe Metallgeh use Kunststoffgeh use PBTP Polybutylenterephtalat Modifiziertes PPO ifm electronic Der Arbeitsschaltabstand ist jener Abstand bei dem ein Sensor unter an gegebenen Temperatur und Spannungsbedingungen sicher funktioniert s auch Schaltabstand Er stellt die untere Grenze des Nutzschaltab stands dar Die Bereitschaftsverz gerungszeit ist die Zeit die zwischen Anlegen der Betriebsspannung und Ausgabe des richtigen Schaltsignals vergeht In nerhalb dieser Zeit muss sich die interne Spannungsversorgung stabilisie ren und der Prozessor einen Selbsttest durchf hren Der Ausgang wird in dieser Zeitspanne bauartenspezifisch 5 ms bis ber 200 ms durch schaltungstechnische M
8. ber der Oberkante des Beh lters ber dem berlauf stehen Sie k nnen Montageelemente auch in der oberen H lfte des aktiven Be reichs anbringen m glicher Montagebereich M2 Dadurch reduziert sich der aktive Bereich auf die Zone zwischen Montageelement und Stabende In diesem Fall sollte das Montageelement ber der Oberkante des Beh l ters ber dem berlauf stehen M1 Montagebereich 1 M2 Montagebereich 2 Abbildung 24 LK Montage Optimal ist die Montage mit der Schelle im inaktiven Bereich M1 Die Schelle kann auch im M2 angebracht werden Dabei muss eine Reduzie rung des Messbereichs in Kauf genommen werden es wird nicht mehr die gesamte aktive Fl che genutzt Montieren Sie das Ger t bei Einbau in kleine Kunststoffbeh lter m glichst in der Mitte des Beh lters Bei verschmutzten Medien wird empfohlen Befestigen Sie das Ger t in einer Zone in der das Medium stark in Bewegung ist z B am Zulauf Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 34 Montagezubeh r LI Kurzbeschreibung ifm electronic Bei Einbau in metallische Steigrohre Bypass muss der Sensor in der Mitte des Rohres montiert werden Der Rohrinnendurchmesser muss mindestens 120 mm betragen Metallische Gegenst nde innerhalb des Beh lters z B metallische Rohre Einbauten m ssen einen Mindestabstand von 60mm zum akti ven Bereich des Sensors einhalten Andernfalls werden sie als Monta geelement erkannt
9. cksichtigt werden s auch Schaltabstand Der Nutzschaltabstand wird nach Me methode 1 der Norm EN 2050 010 und innerhalb der zul ssigen Bereiche f r die Betriebsspannung und die Umgebungstemperatur gemessen Er muss zwischen 90 und 110 des Realschaltabstandes liegen s auch Schaltabstand Ruhestromprinzip befindet sich ein Gegenstand im Bereich der aktiven Schaltzone ist der Ausgang gesperrt Bei einigen Bauformen kann die Ausgangsfunktion Schlie er oder ffner programmiert werden Bei Sensoren erfolgt eine Programmierung der Aus gangsfunktion durch eine Drahtbr cke einen Stecker oder durch Wahl der Anschlussbelegung bei den F llstandsensoren ber Tasten Der Realschaltabstand eines Sensors ist der Schaltabstand der bei Nenn spannung und Nenntemperatur gemessen wird Er muss zwischen 90 und 110 des Nennschaltabstandes liegen s auch Schaltabstand Der Reststrom ist der Strom der bei 2 Leiter Ger ten im Ruhezustand ber das nichtgeschaltete Ger t flie t um die Stromversorgung der Elekt ronik zu gew hrleisten Der Reststrom flie t immer auch ber die Last Der Schaltabstand eines Sensors ist der Abstand bei dem ein sich der aktiven Fl che axial n hernder Gegenstand einen Signalwechsel am Aus gang hervorruft siehe Korrekturfaktoren Siehe auch Nennschaltabstand Nutzschaltabstand Realschaltabstand und Arbeitsschaltabstand Die Schaltfrequenz ist die Grenzfrequenz bei der jeder sich periodi
10. der die Funktion der zweiten Elektrode der Kondensatoren bernimmt an der Wand des Gef es angebracht werden Der Bereich in dem die Segmente ausgewertet werden wird aktiver Be reich genannt Die Befestigung mit einer Schelle sollte am besten im inak tiven Bereich zwischen dem obersten Segment und dem Geh use der Auswerteelektronik erfolgen Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 31 Auswertung Hinweise Geschwindigkeit ifm electronic Wie unten erl utert wird ist es aber auch m glich innerhalb der oberen 2 3 des aktiven Bereichs die Schelle anzubringen Dabei reduziert sich der auswertbare Bereich auf den Bereich unterhalb der Schelle In diesem Fall darf das Medium nicht bis unmittelbar an die Schelle ansteigen A aktiver Bereich L gesamte L nge des Rohres l inaktiver Bereich Abbildung 23 LK aktive Zone Durch den Einsatz eines Mikroprozessors sind erheblich komplexere Aus wertungen m glich als bei einem bin ren Sensor Das Verfahren beruht auf einem Vergleich der Kapazit ten der einzelnen Segmente Jedes Segment wird durch ein Multiplexverfahren einzeln ab gefragt so dass eine Reihe von Kapazit ten ausgewertet werden kann Dabei k nnen mehrere Stufen unterschieden werden Die Ermittlung der Kapazit t des untersten Segmentes ergibt ein Ma f r die Dielektrizit tskonstante des Mediums Diese kann als Referenz gesehen werden mit der sich der Sensor auf das Medium abgleicht Es wird das
11. erste Segment gesucht dessen Kapazit t geringer ist als die Referenz Das erm glicht eine Grobauswertung des F llstands Bei diesem Segment haben wir den Fall eines teilweise gef llten Kon densators siehe 1 3 Die Auswertung der Kapazit tsdifferenz zum Re ferenzwert ergibt die Feinauswertung des F llstands Die Aufl sung be tr gt 1 mm Damit ist zun chst die Auswertung abgeschlossen Ein Einbau im Gef und selbst die Schelle oder der Flansch die den Sensor halten werden dabei ignoriert sie k nnen die Messung nicht st ren Sie verursachen zwar auch eine Ver nderung der Kapazit t aber an einem anderen Ort als der F llstand Das ist der Hintergrund f r die Hinweise zum praktischen Einsatz und die Montagehinweise die in 3 5 5 zusammengefasst werden Die Daten ber Messbereiche Fehlergrenzen usw sind in der bersicht in 3 5 4 zu finden Hier werden zun chst nur Werte genannt die im Zusam menhang mit dem Funktionsprinzip von Bedeutung sind Die Schaltzeit oder Schaltfrequenz hat hier keine praktische Bedeutung Wichtig ist wie sich der Sensor verh lt wenn sich die F llh he ndert Wenn bei der Auswertung festgestellt wird dass sich das Messsignal rasch ndert dann wird zu einer dynamischen Messung bergegangen Es wird nur entsprechend Punkt 2 oben das Segment verfolgt bei dem sich der F llstand gerade befindet Wird die Ver nderung langsamer oder kommt zum Stillstand dann wird wieder zur Feinauswer
12. s ebenfalls praktisch den Wert 1 hat Bei anderen Materialien kann der Wert nur gt 1 sein Er liegt f r viele Materialien zwischen 1 und 10 Bei Wasser ist er schon un gew hnlich hoch hier ist g 81 Die Kapazit t eines Kondensators mit Wasser zwischen den Platten ist al so 81 mal gr er als in Luft Nur bei einigen exotischen Stoffen ist er heblich gr er Diese werden z B bei der Herstellung von Spezialkon densatoren mit hohen Kapazit ten verwendet F r den analogen F llstandsensor ist ein Spezialfall von besonderer Be deutung Stellt man sich vor dass der Wasserstand zwischen den Kon densatorplatten beliebige Werte zwischen voll und leer annehmen kann Z B halb voll was ist dann mit der Kapazit t Sie h ngt dann von der F ll h he ab Als Referenz ist es nat rlich sinnvoll den leeren Kondensator nach 2 zu nehmen Oben wurde gesagt dass die Kapazit t auf etwa das 81 fache steigt wenn er mit Wasser gef llt ist siehe 3 Wenn er nur halb gef llt ist dann wird die Kapazit t auch nur um den halben Wert steigen Man kann also ge nauer sagen die Kapazit ts nderung ist dem H henunterschied proporti onal bei rechteckigen Platten Dieser Zusammenhang wird bei der Sig nalerzeugung im analogen F llstandsensor siehe 2 5 1 verwendet Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 10 g von Metall wird C gr er oder kleiner ifm electronic GH Abbildung 4 Kondensator halb gef l
13. 2 z B l dann erkennt er die ses m glicherweise nicht Wenn der Beh lter bei Inbetriebnahme bis ber den aktiven Bereich des Sensors gef llt ist gelingt der Abgleich nicht mit Sicherheit In diesem Fall wird empfohlen den Sensor vom Netz zu trennen den Beh lter teilweise zu entleeren bis unter den oberen Rand des aktiven Bereichs und dann den Sensor erneut in Betrieb zu nehmen Daten L ngen zur Lokalisierung des aktiven Bereichs h ngen von der Baul nge ab und sind in den Datenbl ttern zu finden siehe auch 3 5 4 Zu beachten ist dabei wird die Schelle die den Sensor h lt in diesem Be reich montiert dann reduziert sich der Messbereich Es ist nur der Teil der sich unter der Schelle befindet auswertbar Bei berf llung kann der Sensor m glicherweise das Medium nicht von Luft unterscheiden Das bedeutet er kann nicht leer von voll unterschei den Wenn die Schelle im aktiven Bereich montiert wurde und der F ll stand reicht bis zur Schelle dann wird diese m glicherweise als Medium erfasst Dieser Fall ist normalerweise nicht kritisch Der Sensor zeigt zwar eine Fehlermeldung an Wenn jedoch das Medium ber den unteren Rand des aktiven Bereichs ansteigt dann gleicht er sich automatisch ab und die Feh lermeldung wird zur ckgesetzt Wenn der Sensor w hrend des Betriebs aus dem Beh lter gezogen und wieder eingef hrt wurde wird zur Sicherheit ein Reset kurze Trennung vom Netz empfohlen Kapazitive Se
14. 2 3 2 3 6 Hinweise zum praktischen Einsatz In diesem Kapitel sollen einige Punkte erg nzt und andere die oben aus f hrlicher erkl rt wurden noch einmal kurz zusammengefasst werden Zuerst soll betont werden dass der kapazitive Sensor ein einfaches und unkompliziertes Ger t ist Das wird dadurch best tigt dass er in gro en St ckzahlen eingesetzt wird ohne dass geschulte Experten ben tigt wer den Viele Erkl rungen und Hinweise in diesem Text werden in der Praxis kaum beachtet Ein Ger t kann aber noch so unkompliziert sein es bleiben immer noch M glichkeiten etwas falsch zu machen Au erdem gibt es F lle bei denen man auf Grenzen der Einsatzm glichkeit st t Die vorliegenden Unterla gen sollen unter anderem auch bei etwas kniffligen F llen wenn sich der Sensor anders verh lt als erwartet dabei helfen L sungen zu finden Kapazitive Sensoren detektieren alle elektrisch leitf higen Gegenst nde seien sie geerdet oder nicht geerdet Weiterhin sind sie in der Lage auch elektrisch nicht oder schlecht leitf hige Stoffe zu erkennen wie Kunststof fe Glas Keramik oder Fl ssigkeiten wie Wasser oder l Durch die Einstellbarkeit seiner Empfindlichkeit an einem pr zisen Poten tiometer oder automatisch auf Tastendruck ist die Anpassung auf das Er kennen bestimmter Materialien m glich Wie beim induktiven Sensor ist auch dieses Funktionsprinzip unabh ngig davon ob der Gegenstand sich bewegt oder nicht d
15. 5 Vergleich 2 1 1 Einordnung 2 1 2 Systeme zur F llstandskontrolle Technik und Funktionsprinzip 2 2 1 Elementarsensor kapazitiv 2 2 2 Signalerzeugung 2 2 3 Auswertung Praktischer Einsatz 2 3 1 Schaltabstand 2 3 2 Hysterese 2 3 3 Korrekturfaktoren 2 3 4 Kompensation der Umgebung 2 3 5 Schaltzeiten und Schaltfrequenz 2 3 6 Hinweise zum praktischen Einsatz Montagehinweise 2 4 1 B ndig Nicht b ndig 2 4 2 Gegenseitige Beeinflussung 2 4 3 Mechanische Festigkeit Analoge F llstandsensoren 2 5 1 Technik und Funktionsprinzip 2 5 2 Praktischer Einsatz 2 5 3 Montagehinweise Bauform LI Kapazitive Sensoren der ifm Mechanischer Aufbau Bauformen Elektrische Daten 3 3 1 Wichtige Parameter 3 3 2 bersicht Einstellung des Schaltpunktes bin r Analoge F llstandssensoren 3 5 1 Bauform und mechanische Eigenschaften 3 5 2 Display 3 5 3 Programmierung 3 5 4 Elektrische Daten und weitere Eigenschaften 3 5 5 Hinweise zum praktischen Einsatz ifm electronic 5 5 7 12 12 13 17 17 19 21 22 22 24 24 25 27 27 28 28 29 30 31 31 33 34 35 36 36 39 40 40 41 42 44 44 45 46 47 49 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 3 ifm electronic 3 6 Zulassungen 50 3 7 Schalter mit speziellen Eigenschaften 51 3 7 1 Einsatz in explosionsgef hrdeten Bereichen 51 3 7 2 _Quadronormger te 52 3 7 3 Sonderbauformen 52 3 8 Kriterien f r die Praxis 52 Applikationsbeisp
16. Das ist bei vielen typischen Anwendungen siehe 2 3 4 auch erforderlich Weil diese Einstellung so wichtig ist wurde auch das Verfahren dabei weiterentwickelt Werksseitig ist der Schaltabstand so eingestellt dass eine optimale Betriebsreserve er reicht wird Das bedeutet die Anf lligkeit gegen Verschmutzung Betauung oder Temperatur nderungen ist minimal Diese Bezeichnung weist darauf hin dass diese Gr e nicht absolut ge nommen werden kann sondern Interpretiert werden muss Wie h ngt der tats chliche Schaltabstand mit dem Bemessungs oder Nennschaltab stand zusammen Anders gefragt wovon h ngt der Schaltabstand ab Es gibt eine Reihe von Einfl ssen Verschiedene Exemplare des gleichen Typs k nnen nicht v llig identisch sein Das hei t dass mit Exemplarstreuungen zu rechnen ist Au erdem ist der Sensor wechselnden Umgebungsbedingungen z B Temperatur nderungen Schwankungen der Betriebsspannung usw ausgesetzt Objekte die sich in der N he des Sensors befinden die aber nicht Ge genstand der Detektion sind z B feststehende Anlagenteile k nnen e benfalls den Schaltabstand beeinflussen vgl 2 3 3 Schlie lich m ssen die Eigenschaften der Objekte ber cksichtigt werden Die Auswirkung die ser Einfl sse wird im Folgenden kurz erl utert Der bei kapazitiven Sensoren angegebene Bemessungsschaltabstand Nennschaltabstand wird mit einer geerdeten Metallplatte ermittelt Kapazitive Sensoren und F llstandsens
17. Flachseite untergebracht z B bei 120 x 80 mm siehe Tabelle unten Diese Bauform ist ein Spezialfall der Quaderform Genau genommen ist sie trapezf rmig Die abgeschr gten Seitenfl chen enthalten die Bohrl cher f r die Befestigung Alternativ l sst es sich auch mit einem Spann band z B an einem Rohr befestigen Die Elektrode wird fl chenf rmig direkt auf den Leiterfilm aufgebracht Die ses Ger t ist speziell auf das Erfassen von F llst nden ausgelegt ist also ein F llstandsensor Es erf llt die Forderung der Anwender nach einem besonders kompakten Ger t Wegen der geringen H he ist das Steckerge r t mit einem M 8 Stecker ausgestattet Das Geh use besteht dabei aus Kunststoff Pocan Die allererste Generation der efectoren hatte diese Bauform Sie wird auch heute verwendet Sie lassen sich einfach mit einer Schelle montieren und auf den richtigen Abstand bringen Die Schelle geh rt normalerweise zum Lieferumfang Lediglich beim Ersatz der Schelle sollte darauf geachtet werden dass die passende Originalschelle verwendet wird um mechanische Besch digung Quetschen zu vermeiden Das Geh use besteht hier meist aus Kunst stoff Pocan Auch diese Bauform wird h ufig verwendet Die Ger te lassen sich an einem Haltewinkel als Zubeh r erh ltlich oder einem einfach einzubrin gendem Bohrloch mit Mutter und Kontermutter fixieren Speziell das b ndig einbaubare Ger t KNM hat diese Bauform Das Ge h use
18. VC bei Temperaturen unter 15 C nicht mehr bewegt werden Weicht der bed mpfende Gegenstand in Form Werkstoff oder Materialdi cke ab so ergeben sich vom Normschaltabstand abweichende Schaltab st nde Sie lassen sich mit Hilfe von Korrekturfaktoren die in den techni schen Daten angegeben werden berechnen Folgende Faktoren m ssen gegebenenfalls ber cksichtigt werden Wird anstelle der Messfl che eine kleinere oder eine Platte mit nicht quad ratischer Form eingesetzt oder ist der bed mpfende Gegenstand nicht e ben so muss der Schaltabstand mit einem Formfaktor korrigiert werden Wird ein anderer Werkstoff verwendet muss der Schaltabstand mit einem Werkstofffaktor korrigiert werden Dieser ist bei kapazitiven Schaltern ab h ngig von der Dielektrizit tskonstanten des Werkstoffes Wird eine Messplatte mit einer kleineren Dicke verwendet so muss der Schaltabstand mit einem Materialdickenfaktor korrigiert werden Dieser Faktor ist bei kapazitiven Schaltern ist der Faktor in der Regel kleiner als 1 Der Ausgang eines Sensors wird nach VDE 0160 als kurzschlussfest be zeichnet wenn er einen Kurzschluss der Last bzw einen Masseschluss am Ausgang dauerhaft ohne Schaden bersteht und nach Beseitigung des Schlusses ohne Schalthandlung wieder betriebsbereit wird Im Falle eines Kurzschlusses wird der Endtransistor sofort gesperrt Nach Aufheben des Kurzschlusses ist das Ger t sofort wieder betriebsbereit Ein Vertauschen der Anschlus
19. Zusammenhang zwischen der Entfernung eines Objekts und der nderung der Gr e die den Schwing kreis beeinflusst hier die Kapazit t des Kondensators nichtlinear Daher gilt auch hier Dieser Sensortyp ist f r Abstandsmessungen kaum geeig net sein Haupteinsatzgebiet ist die Funktion als bin rer Schalter 50 un 150 S mm Abbildung 16 Kapazit tskennlinie Wenn hochfrequente St rungen auf die Schaltung einwirken dann kann man das als ein System von gekoppelten Schwingkreisen sehen Man konnte sehen dass die resultierende Frequenz des Schwingkreises ver schoben wurde Ein Ansatz um diesen Effekt zu verhindern bestand darin dass mit Hilfe eines Schwingquarzes eine feste Frequenz erzwungen wur de Dieses Prinzip mit dem in der Praxis eine deutlich verbesserte Wider standsf higkeit gegen solche St rungen erzielt werden konnte wurde bei der n chsten Generation verwendet Nachdem aber ein noch besseres Verfahren entwickelt wurde wird es heute auch nicht mehr verwendet Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 20 Ladungsbalance Signalverarbeitung Endstufe Eindeutigkeit Zeitverhalten Schaltfunktion Ausgang ifm electronic Etwas vereinfacht besteht dieses Prinzip darin dass der eigentliche Mess kondensator und ein Referenzkondensator abwechselnd geladen werden Durch dieses dynamische Verfahren werden St rungen optimal kompen siert Diese Ger te werden mit NI noise immune unempfindlich ge
20. a nahmen gesperrt Die Nennbetriebsspannung ist ein Spannungswert f r den ein elektrisches Betriebsmittel ausgelegt ist Bei Sensoren ist es blich einen Betriebs spannungsbereich anzugeben der einen oberen und unteren Grenzwert festlegt Innerhalb dieser Grenzwerte ist die Funktion des Sensors gew hr leistet Bei Gleichspannungsger ten ist darauf zu achten dass die Restwelligkeit der Betriebsspannung in den Grenzwerten mit eingeschlossen ist Wenn die Restwelligkeit unter den Grenzwert der Betriebsspannung des Sensors sinkt ist ein Gl ttungskondensator zu verwenden Als Faustregel kann hierf r gelten 1000 mF pro 20 Ampere Stromst rke Aluminium Edelstahl Stahlblech verzinkt Messing mit Optalloy nickelfrei Messing beschichtet mit PTFE Safecoat induktive Ger te Edelst hle rostfrei V2A bzw s urebest ndig V4A V2A 1 4305 X10CrNiS 189 1 4301 X2CrNiMo VAA 1 4404 X2CrNiMo 17132 1 4435 X2CrNiMo 18143 1 4571 X6CrNiMoTi 17122 nnan Das Geh use ist weitgehend best ndig gegen aliphatische und aromati sche Kohlenwasserstoffe le Fette Hydraulikfl ssigkeiten Kraftstoffe keine Spannungsrissbildung an Luft Das Geh use ist nicht best ndig gegen hei es Wasser hei en Dampf Aceton Halogenkohlenwasserstoffe konzentrierte S uren und Laugen Das Geh use ist weitgehend best ndig gegen verd nnte Minerals uren schwache Laugen einige Alkohole le und Fette je nach Zus tzen ch
21. aten Sie sie gedr ckt MH Der aktuelle Parameterwert wird 2 x 5s lang blinkend angezeigt an danach wird er erh ht JEJE schrittweise durch Einzeldruck d N oder kontinuierlich durch Festhal ten der Taste Dr cken Sie kurz die Taste Modef Enter Best tigung Ente W SF 19 Der Parameter wird erneut ange 2 zeigt der neue Parameterwert ist wirksam w Se Programmierung beenden 4 Weitere Parameter ver ndern Warten Sie 155 oder dr cken Sie Beginnen Sie wieder mit Schritt 1 die Mode nter Taste bis wieder der aktuelle Me wert erscheint Wert verringern Lassen Sie die Anzeige bis zum maximalen Einstellwert laufen Danach beginnt der Durchlauf wieder beim minimalen Einstellwert Abbildung 35 Programmierung des LK Die meisten Punkte erkl ren sich selbst Die Unterschiede liegen zum ei nen darin dass beim Ger t mit 1 DO nur dieser eine Ausgang parametriert werden kann und zum anderen durch die Umschaltung des AO auf Strom bzw Spannungsausgang Von den gemeinsamen Parametern die f r den analogen F llstandsensor spezifisch sind sollen die folgenden beiden he rauszuheben Wenn der Abstand zwischen dem Boden des Gef es und der Unterkante des Messstabs bekannt ist dann kann dieser Wert als Offset eingetragen werden Dieser Wert wird zum gemessenen F llstand addiert Das Display
22. azitive Sensoren und F llstandsensoren 43 Bauform Mechanik Druckfestigkeit Material ifm electronic Anders sieht es jedoch bei den so genannten intelligenten Sensoren aus Diese sind direkt Teilnehmer am AS i System siehe Katalog und verf gen ber bis zu 4 Datenbits Damit kann neben dem unsicheren Schaltzustand z B auch die Betriebsbereitschaft berwacht werden Beim kapazitiven AS i Sensor l sst sich dar ber hinaus die Empfindlichkeit ber Parameter ferneinstellen 3 5 Analoge F llstandssensoren 3 5 1 Bauform und mechanische Eigenschaften Es gibt hier im Wesentlichen nur eine Bauform in zurzeit drei mechani schen Varianten Diese unterscheiden sich durch die L nge des Messsta bes Abbildung 32 Bauform LK Das Ger t besteht aus zwei Komponenten Auswerteeinheit mit Display und elektrischem Anschluss Messstab als Tr ger der Kondensatorsegmente siehe 2 5 1 Die drei unterschiedlich langen Messst be unterscheiden sich durch die Anzahl der Kondensatorsegmente Bedingt durch das Messprinzip siehe 2 5 1 l sst sich die L nge nicht wesentlich vergr ern Bei gr erer L n ge g be es mehr Segmente und damit immer mehr Leiterbahnen zur Aus werteeinheit f r die dann kein Platz mehr auf dem Messstab w re Weitere Unterschiede bestehen in der Ausgangsschaltung siehe 3 5 4 Hinweise zur Montage sind schon in 2 5 3 zu finden Noch einmal kurz zusammengefasst senkrechter Einbau Auswerteeinhei
23. ber nat rlich das Verhalten der Ausg nge beeinflussen werden sie auch hier aufgef hrt MEW steht f r Messbe reichsendwert Schaltpunktgenauigkeit vom MEW 5 Wiederholgenauigkeit vom MEW 2 Max Geschwindigkeit der F llstands nderung mm s 100 bei LKX022 200 bei LKX023 300 bei LKX024 Das X steht f r die diversen Typen siehe 3 5 1 3 5 5 Hinweise zum praktischen Einsatz In 2 5 2 wurden schon allgemeine Hinweise die direkt mit Funktionsprinzip zusammenh ngen gegeben In diesem Kapitel stehen Hinweise die sich auf die aktuellen Ger te beziehen und f r diese spezifisch sind Seit der Hannovermesse 1999 vertreibt die ifm electronic die F llstands sensoren der Bauform LK Das Ger t wurde konzipiert f r Applikationen in der Werkzeugmaschine vornehmlich im Bereich K hlschmiermittelaufbe reitung und berwachung von Hydraulik l Entsprechend dieser Spezifika tion wurde das Sensormaterial ausgesucht ein Kunststoff der eine hohe Best ndigkeit gegen ber aggressiven Medien aufweist Bei Applikationen in denen andere Medien auftreten ist diese hohe Be st ndigkeit ber die Zeit hinweg nicht mehr gew hrleistet Dies sind zum Beispiel Waschanlagen zur Entfettung von spanend bearbeiteten Werkst cken als auch aggressive Medien wie S uren und Laugen sowie ver schiedene andere Fl ssigkeiten Dar ber hinaus wurden aus Erfahrungen bei speziellen Applikationen schon Verbesserungen vorgenommen Dies waren i
24. berwachungs und Z hlaufgaben wird das Produktionsgut direkt er fasst Mit ber hrungslos arbeitenden Sensoren ist es m glich auch schwierig erfassbare G ter wie Glas Lebensmittel Papier usw zu erken nen Insbesondere kapazitive Sensoren k nnen in der F llstandsmesstechnik oder in der F llstandskontrolle in der Prozesstechnik und der Verpa ckungsindustrie eingesetzt werden Hiermit lassen sich F llst nde in Tanks und Silos berwachen aber auch eine Stau berwachung in Rohrlei tungssystemen realisieren z B in einer M hle Weiterhin kann bei geeigneter Montage und entsprechender Einstellung von kapazitiven Sensoren die korrekte F llmenge auch durch undurchsich tige Verpackungen festgestellt werden z B Waschpulver in Pappkartons Der Einsatz in explosionsgef hrdeten Bereichen der chemischen Industrie in M hlen oder in Tankanlagen ist der lteste Anwendungsbereich f r Sensoren berhaupt Da in diesen Bereichen aber nur mit sehr kleinen Spannungen gearbeitet werden darf gibt es f r solche Applikationen Sen soren mit zus tzlicher Sicherheit Sensoren der Bauform KX sind zum Ein satz in Zone 20 zugelassen Dies kann nur ein kurzer berblick ber die universelle Einsetzbarkeit von kapazitiven Sensoren sein Viele Aufgaben in Bereichen die nicht unmit telbar nahe liegend sind erschlie en sich vielfach dem Anwender erst bei der Konstruktion seiner Anlage Somit ergibt sich fr her oder sp ter bei der einen ode
25. besteht dabei aus Metall Ma einmm Werkstoff 120 x 80 x 30 105 x 80 x 40 Kunststoff 60 x 36 x 10 glatt 20 x 85 Kunststoff 34 x 81 Bauform Quader Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 39 ich will mehr wissen Anschluss Kabel Stecker Klemmenraum ifm electronic Zylinder M18x 1 Kunststoff Gewinde M30 x 1 5 oder Metall M 34 x 1 5 Bei der Bauform zylindrisch sind Durchmesser und L nge bzw Gewinde ma angegeben Die L ngenma e beziehen sich auf das Geh use also bis zum Ansatz des Kabels bzw des Gewindestutzens Weitere Angaben Ma zeichnungen Informationen ber zul ssige Tole ranzen der Ma e usw sind im Katalog oder bei www ifm com zu finden Bei der bersicht ber die Bauformen ist auch der Typenschl ssel im An hang n tzlich Es gibt 3 Varianten Hier ist die Anschlussleitung fest mit dem Ger t verbunden Die Fehler quelle undichte Steckverbindung durch unsachgem e Montage wird hier sicher ausgeschlossen Diese Ger te mit dem Vorteil der einfachen Austauschbarkeit werden im mer mehr eingesetzt Auch bei Erstmontage ist ein Fehler durch vertausch te Kabel ausgeschlossen Wegen der wachsenden Bedeutung gibt es inzwischen einen eigenen Prospekt zur bersicht der Kabeldosen Au erdem werden in den Katalo gen und Prospekten oder im Internet siehe oben f r die Sensoren mit Steckeranschluss Standardkabeldosen oder Kabeldosen mit besonderen E
26. chen die Platten gebracht wird Die beiden einzelnen Kondensatoren der Ersatzschaltung haben eine erheblich h here Kapazit t als der Kondensator ohne Metall zwischen den Platten Das kommt daher dass d viel geringer ist siehe 2 Die Antwort lautet also C wird gr er Metall wirkt praktisch wie ein gutes Dielektrikum Die ser Spezialfall wird unten noch diskutiert siehe 2 3 3 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 11 universell bin r und analog Positionssensor Medium Alternativen ifm electronic 2 Eigenschaften kapazitiver Sensoren 2 1 Vergleich 2 1 1 Einordnung Der kapazitive Sensor erfasst alle Materialien Er ist also vielseitiger als der induktive Allerdings ist er daf r auch anf lliger gegen St rungen z B durch Ablagerungen von Verunreinigungen Das gleiche kapazitive Prinzip wird auch beim Drucksensor der ifm ver wendet siehe Schulungsunterlagen Drucksensoren Da es sich aber um eine ganz andere Messgr e handelt wird darauf hier nicht eingegangen Der kapazitive Sensor hat einige Gemeinsamkeiten mit dem induktiven l sst sich aber nicht einfach so wie dieser siehe Schulungsunterlagen in duktive Sensoren nur mit einem mechanischen Schalter vergleichen Bestimmte Eigenschaften sind kaum vergleichbar z B die F higkeit ein Medium durch eine Wand hindurch zu erfassen siehe 2 3 4 die Einstel lung der Empfindlichkeit siehe 3 4 oder die Auswertung des Analogsig nals
27. ck auf eine spezielle Applikation entwickelt Daher sind zurzeit die Anwendungen auf die Abfrage von l in geschlossenen Beh ltern und K hlschmiermittel eingeschr nkt Die Anwendung in allen anderen Medien muss vorher in der Applikationsabteilung berpr ft werden Das Ger t kann man einfach als ein Zwischending zwischen dem bin ren Sensor und dem analogen F llstandsensor bezeichnen Das wird in der folgenden Abbildung 25 deutlich Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 35 Hauptgruppen Aufbau eines efectors ifm electronic ER A Hs G 1 Drei LEDs 2 Programmiertaste 3 Sondenstab 4 Aktive Zone 25 mm 5 mit radialer Erfassungscharakteristik Abbildung 25 LI Der LI erfasst den F llstand wie der LK Das Messsignal wird nur nicht weiter ausgewertet umgeformt einem Display zugef hrt sondern mit einer einstellbaren Schwelle verglichen Das Ausgangssignal ist somit bin r 3 Kapazitive Sensoren der ifm Hier werden zun chst die kapazitiven Sensoren und F llstandsensoren deren Eigenschaften sich nicht stark unterscheiden behandelt Weil der Unterschied zu den analogen F llstandsensoren gr er ist werden sie separat in 3 5 beschrieben Zur Bedeutung der Bezeichnungen siehe 1 1 3 1 Mechanischer Aufbau Man kann hier Hauptgruppen unterscheiden die jeweils aus diversen Ein zelkomponenten bestehen Geh use Elementarsensor Schaltung Anschluss Man kann diese aber nicht als unabh n
28. dadurch reduziert sich der aktive Bereich auf den Bereich zwischen metallischem Gegenstand und Stabende Bei Einbau in metallische Beh lter m ssen folgende Abst nde ein gehalten werden Sensor Beh lterwand 40mm e Sensor Beh lterboden10 mm Verwenden Sie f r sichere und einfache Montage das ifm Montagezubeh r siehe ifm im Internet Zur Erf llung der EMV Richtlinie der EU woraus sich die Berechtigung der CE Kennzeichnung ergibt muss das Sensorgeh use elektrisch mit Erde verbunden werden Dies geschieht entweder mechanisch durch eine entsprechende Halterung die elektrisch an Er de gekoppelt ist oder mittels des im Lieferumfang enthaltenen Erdungsrings Die Erde das Beh lterpotential dienen dem Sensor als Referenz Dies bedeutet dass ein Messstrom vom Sensorstab durch das zu erkennende Medium zur ck zum Sensor flie en muss Ist das Sensorgeh use nicht geerdet flie t der Messstrom undefiniert ber die elektrischen Zuleitungen zur ck zur Erde Dies kann zu einer Beeinflussung anderer Messkompo nenten f hren Der F llstandsensor entspricht der Norm EN 50081 2 und ist ein Produkt der Klasse A In Haushaltsumgebung kann das Ger t Rundfunkst rungen verursachen Deshalb muss der Anwender gegebenenfalls geeignete Ma nahmen ergreifen 2 6 Bauform LI Diese Bauform soll hier nur kurz angesprochen werden weil die Weiter entwicklung noch im Gange ist Wie es h ufig der Fall ist wurde das Ger t im Hinbli
29. den Schulungsunterlagen induktive Sensoren zum Vergleich mit dem mechanischen Endschalter gemacht wurden treffen hier auch zu Die Kriterien nach welchen ein Positionssensor f r eine bestimmte Aufga benstellung ausgew hlt wird werden wie erw hnt in 2 3 6 beschrieben Bei Me systemen f r L ngen bzw Abst nde ist die Aufgabenstellung eine andere Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 12 Verschmutzung Ablagerungen Alternativen Schwimmerk rper ifm electronic Der kapazitive Sensor als Grenzwertgeber hat eine Reihe von Vorteilen Nat rlich gibt es auch St reinfl sse Wichtige Punkte dabei werden hier noch einmal kurz zusammengefasst Die Eigenschaften anderer Systeme werden in 2 1 2 kurz diskutiert elektronisches Ausgangssignal Damit werden Probleme wie Kontaktprellen Verschlei Korrosion der Kontakte usw vermieden Kontakt mit Medium nicht erforderlich Die ber hrungslose Erfassung selbst durch W nde oder PTFE Schutzh llen hindurch ist hier von Vorteil Dieser wichtige Punkt soll etwas ausf hrlicher diskutiert werden Oben wurde die Anf lligkeit des kapazitiven Sensors gegen diese Einfl sse er w hnt Das scheint also zun chst ein Nachteil zu sein Nun muss aber be r cksichtigt werden dass viele alternative Systeme in h herem Ma e da durch beeintr chtigt werden k nnen Beim kapazitiven Sensor k nnen dies Einfl sse in Grenzen nat rlich kompensiert werden Ferneinstellung Wenn
30. der Sensor nicht im direkten Kontakt mit dem Medium ist bezieht sich dieser Punkt auf Ablagerungen z B auf der Wand durch die hin durch der Sensor das Medium erfasst Durch einen erneuten Leerabgleich siehe 3 4 der ber die Program mierleitung auch als Fernabgleich m glich ist siehe 3 3 kann dieser Effekt ganz einfach kompensiert werden wenn die Schicht nicht zu dick ist Bei mechanischen Systemen hilft nur eine Reinigung f r die sie un ter Umst nden erst ausgebaut werden m ssen dynamische Auswertung Beim analogen F llstandsensor lassen sich durch die dynamische Aus wertung der Segmente siehe 2 5 1 selbst dicke Schichten von Ablage rungen oder Verkrustungen kompensieren 2 1 2 Systeme zur F llstandskontrolle Hier sollen kurz einige m gliche Alternativen zu kapazitiven Sensoren angesprochen werden Diese Alternativen betreffen im Wesentlichen den F llstand dabei werden auch analoge Systeme angesprochen Bei der Kontrolle der Position von beliebigen nicht nur leitf higen Objek ten gibt es abgesehen vielleicht von optischen Sensoren kaum vergleich bare und wirtschaftliche Alternativen Deshalb soll in diesem Kapitel der Schwerpunkt auf Alternativen zur Kontrolle von F llst nden liegen Da der induktive Sensor am wenigsten anf llig gegen St rungen ist u a gegen Benetzung mit Wasser versucht man ihn auch bei der F llstands kontrolle einzusetzen Da er aber haupts chlich auf metallische Materialien a
31. e Wie oben beim automatischen Abgleich in 3 4 beschrieben wurde l sst sich diesem Problem bei den Ger ten der neueren Generation den bin ren F llstandsensoren leichter und einfacher beikommen Falls ein erneu ter Abgleich zur Kompensation der Umgebung jedoch nicht zum Ziel f hrt dann bleibt die Reinigung des Sensors als einzige Ma nahme Der analoge F llstandsensor ist durch den Auswertungsalgorithmus siehe 2 5 1 weitgehend unempfindlich gegen Fehlsignale auf Grund von Ablage rungen auf dem Messstab Zur Kennzeichnung der Dichtigkeit des Schutzgrades siehe von elektri schen Betriebsmitteln wird eine international genormte Zahlenkombination verwendet nach der die Hersteller von Sensoren die Dichtigkeit ihrer Ge r te z B mit IP67 angeben IP ist hierbei die Abk rzung f r international protection Die erste Ziffer gibt den Schutzgrad gegen Ber hrungen und Eindringen von Fremdk rpern an Dabei bedeutet die 6 Schutz gegen Eindringen von feinstem Staub und vollst ndigen Ber hrungsschutz Die zweite Ziffer der Schutzartenkennzeichnung gibt an bis zu welcher Beeinflussung ein Sen sor in feuchter nasser Umgebung betrieben werden darf Sensoren nach dem kapazitiven Prinzip k nnen von Wasser Feuchtigkeit Nebel und D mpfen in ihrer Funktionsweise beeinflusst werden Gegen ma nahmen sind oben bei Fremdk rper und Staub beschrieben Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 53 Chemische Einfl sse Ele
32. e kapazitive Sensoren Da die Ger te berall in Industriebetrieben eingesetzt werden muss das wohl einen Grund haben Was macht diese Ger te und speziell die efectoren so erfolgreich Viele Erfahrungen der vergangenen Jahrzehnte haben zu immer weiteren Verbesserungen gef hrt Seit mehr als 20 Jahren gibt die ifm 5 Jahre Ga rantie auf Standardger te Ein vorher nicht gekanntes Ma an Zuverl ssigkeit hat dazu gef hrt dass sich der kapazitive Sensor in der aktuellen Technik durchgesetzt hat Au erdem erschlie t er sich selber immer neue Felder von Applikationen in denen fr her ein hoher Automatisierungsgrad undenkbar war Am Anfang als der elektronische Sensor eingef hrt wurde hat man ihn einfach als Ersatz f r den mechanischen Schalter gesehen Er hat diesen ja auch inzwischen weitgehend abgel st Das hei t Typen wurden entwi ckelt produziert kamen zum Anwender und dieser hat zur ckgemeldet wenn der Sensor bei seiner Applikation zus tzliche Eigenschaften ben tig te Nachdem nun viele Erfahrungen mit dem Einsatz der Ger te gesammelt wurden kann ein anderer Standpunkt eingenommen werden Man fragt zuerst welche Eigenschaften ben tigt ein Sensor um dem Anwender den Einsatz zu erleichtern Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 6 gibt es daf r Beispiele was ist das Ladung Aufnahmeverm gen ist 1 F viel ifm electronic Die korrekte Einstellung der Empfindlichkeit konnte bei spezielle
33. eh usewerkstoff ist in der Regel ein glasfaserverst rkter Kunststoff der eine gute chemische Best ndigkeit und ein hohes Isolierverm gen aufweist Zur weiteren Verbesserung der Geh usestabilit t im Hinblick auf die Befestigung werden Gewindeger te auch mit Metallh lsen ausgestat tet Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 38 PBTP Metall Quaderf rmig KNQ Zylindrisch glatt Zylindrisch mit Gewinde ifm electronic Der in der Regel von der ifm verwendete Geh use Kunststoff ist ein cad miumfreies Polybutylenterephthalat PBTP das z B unter dem Marken namen Pocan von der Firma Bayer produziert wird Informationen zu Er fahrungen mit der chemischen Best ndigkeit gegen ber verschiedenen Medien k nnen angefragt werden Bei zylindrischen Bauformen setzte die ifm fr her bei Standard Ger ten vernickeltes Messing ein heute wird es mit Optalloy beschichtet Das ist eine Legierung aus Kupfer Zinn und Zink auch unter dem Begriff Wei bronze bekannt Beim b ndig einbaubaren Typ siehe 2 4 1 reicht die Me tallh lse bis zur Stirnfl che 3 2 Bauformen Das Standardprogramm der ifm umfasst die in der Industrie g ngigen qua derf rmigen und zylindrischen Bauformen die auch in der IEC 60947 5 2 beschrieben werden Diese Bauform wird haupts chlich verwendet f r Ger te mit gro er Reichweite Die gro e Reichweite bei 50 oder 60 mm wird durch gro e Elektroden er reicht Diese werden auf der
34. ehler haftes Schaltsignal ausgegeben wird es muss eine Einschaltimpulsunter dr ckung gew hrleistet sein Die Zeit die vergeht zwischen dem Anlegen der Betriebsspannung und der vollen Betriebsbereitschaft des Sensors hei t Bereitschaftsverz gerungszeit und liegt im Millisekundenbereich Gelegentlich kommen hier Verwechslungen vor Sie ist nicht mit der Schaltzeit gleichzusetzen siehe 2 3 5 Diese ist erheblich k rzer Eine weitere Gr e ist die Reaktionszeit d h die Zeit die vergeht zwischen dem Vorhandensein des Objekts und dem Schalten des Ausgangs Diese h ngt mit der Schaltfrequenz zusammen siehe 2 3 5 und ist auch k rzer Bei vielen Ger ten kann zus tzlich die Schaltfunktion Schlie er oder ff ner gew hlt werden Bei den fr heren Ger ten wurde das auch als Pro grammierung bezeichnet selbst wenn dazu einfach eine Drahtbr cke auf getrennt werden muss Zum Schalten des Ausgangssignals haben sich auf dem Markt Halbleiter schalter wie Transistoren und Thyristoren durchgesetzt Sie bieten hin sichtlich der Lebensdauer der Zahl der zuverl ssigen Schaltspiele der Schaltfrequenz und des prellfreien Schaltverhaltens eindeutige Vorteile Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 21 was ist das Bemessungsschaltabstand ist dieser Wert fest was bedeutet Nenn ifm electronic Die geringen Nachteile n mlich Leckstrom im ausgeschalteten Zustand Spannungsabfall im durchgeschalteten Zustand und
35. eichnet werden siehe 2 5 In diesem Text werden also bin re Sensoren als Positionsschalter und F llstandsensoren sowie analoge F llstandsensoren als Sensoren die ei nen Messwert erzeugen behandelt Er soll einen berblick geben ber die Wirkungsweise die Eigenschaften und die Kriterien f r den Einsatz des kapazitiven Sensorsystems Weiterhin soll er ber typische Anwendungen informieren und jeweils ge eignete Bauformen aufzeigen um damit dem Anwender die Auswahl des f r ihn und f r seinen Einsatzfall geeigneten Ger tes zu erleichtern F r diese Sensoren gibt es viele Namen N herungsschalter Initiator Senso ren ber hrungsloser Positionsgeber aber auch herstellertypische Namen wie z B efector eingetragenes Warenzeichen der Firma ifm electronic gmbh werden verwendet Genormt ist jedoch der Begriff N herungsschalter f r die bin ren Senso ren Im Folgenden wird der Begriff Sensor verwendet Im industriellen Einsatz hat sich f r viele Anwendungen ein System be w hrt kapazitive Sensoren Dieses Sensorsystem ist f r die ber hrungslo se Erfassung der verschiedensten Materialien geeignet Der neue analoge F llstandsensor arbeitet auch nach dem kapazitiven Prinzip Er muss jedoch in das Medium eintauchen nach Bedarf auch mit einer Schutzh lle Bei der Erzeugung und Auswertung des Messsignals gibt es hier Unterschiede die unten erl utert werden Die ifm produziert seit ber 30 Jahren ber hrungslos arbeitend
36. el kann man davon ausgehen dass efectoren die angegebenen Daten nicht nur einhalten sondern eher auf der sicheren Seite liegen Normvorschriften werden nicht nur eingehalten sondern eher bertroffen IP 67 besagt z B dass das Ger t in 1 m Wassertiefe w hrend 30 min einwandfrei arbeitet siehe Es gibt Einsatzf lle bei denen efectoren st ndig und problemlos in gr e ren Wassertiefen betrieben werden Ein kapazitiver Sensor ndert in die sem Falle nat rlich nur seinen Schaltzustand wenn er sich nicht mehr im Wasser befindet Auch ber oder Unterschreitungen des angegebenen Temperaturbereiches 25 C bis 80 C sind in gewissen Grenzen nat r lich auch m glich vgl Schaltabstand bei Zugesichert werden kann na t rlich nur die Einhaltung der im Datenblatt spezifizierten Werte Weitere Pluspunkte der ifm Ger te sind Lieferf higkeit Zuverl ssigkeit 5 Jahre Garantie bei Standardger ten St rfestigkeit Service relativ gro er Au endienst Befriedigung spezieller W nsche Sonderger te Einsatz der SMD Technik vereinfachte Bedienung neue Generation Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 57 ifm electronic 6 Typenschl ssel Typenschl ssel kapazitiv KGE3005 BPKG 7 11 2000 12273297526772829210471712 13 1 l 1 Abtastprinzip kapazitiv 2 Bauform A Zylindrisch glattes Kunststoffgehause 20mm B Zylindrisch glattes Kunststoffge
37. emisch best ndige Fluorkunststoffe PTFE Polytetrafluoretylen LCP PEEK PEI PA Mod PC Kunststoffe weisen je nach Umgebungs und Einsatzbedingungen unter schiedliche Best ndigkeiten auf Eine Zusicherung bestimmter Eigenschaf ten oder die Eignung f r einen bestimmten Einsatzzweck kann daher nicht gegeben werden Bei h ufiger oder dauernder Einwirkung von Chemikalien ist bei allen Ge h usematerialien eine vorherige Einsatzpr fung notwendig Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 59 Hysterese PVC Korrekturfaktor Sensoren Formfaktor Werkstofffaktor Materialdickenfaktor Kurzschlussschutz Mindestlaststrom bei 2 Leiter Ger ten Montagearten B ndiger Einbau f Nicht b ndiger Einbau nf ifm electronic Das beim Verguss verwendete Gie harz hat weitgehend vergleichbare Chemikalienbest ndigkeit wie die efector Geh usekunststoffe Bei unver gossenen efectorm Ger ten ist durch ihre Konstruktion der Schutz gegen Ber hrung des Mediums mit anderen als Geh usematerialien weiter ver bessert worden Die Hysterese ist die Wegdifferenz zwischen Ein und Ausschaltpunkt des Sensors Sie wird in Prozent bezogen auf den unter gleichen Bedingun gen gemessenen Einschaltpunkt angegeben und dient dazu das unkon trollierte Umschalten des Sensors zu verhindern wenn das Objekt in der N he des Schaltpunktes steht Ausgangsflattern Kabelmaterial Um Bruchgefahr zu vermeiden d rfen Kabel aus P
38. ensor bezeichnet Dann muss auf den Zu sammenhang geachtet werden ob das ganze Ger t oder der Elementar sensor gemeint ist Manche Ger te bestehen auch aus getrennten Kom ponenten z B NAMUR Sensoren oder h ufig auch Temperatursensoren Hier wird der Messwertaufnehmer an eine separate Auswerte oder Ver st rkereinheit angeschlossen Eingangs Me wert signal aufnehmer Elementarsensor Parametervorgabe intelligenter Sensor Abbildung 1 Struktur eines Sensors Ein Sensor der nur eine bin re Information liefert Objekt erkannt F ll stand erreicht bzw Objekt nicht erkannt F llstand nicht erreicht wird im Allgemeinen noch nicht als intelligent bezeichnet Man spricht von einem intelligenten Sensor wenn er in der Lage ist zus tzliche Informationen zu liefern z B e Objekt sicher erkannt oder e Objekt unsicher erkannt Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 5 ist F llstand Niveau next generation ifm electronic Ein analoger Sensor liefert nat rlich auch mehr Informationen Im Prinzip ist dasselbe gemeint Es wurden bin re Sensoren entwickelt die speziell zu Kontrolle von F llst nden ausgelegt wurden Diese werden auch als Niveauschalter bezeichnet Sie sollen im Folgenden als bin re F llstandsensoren bezeichnet werden Eine neue Sensorfamilie arbeitet analog Zur leichteren Unterscheidung um Missverst ndnisse zu vermeiden sollen sie als analoge F llstandsen soren bez
39. ensoren werden sogar Kapazit ts nderungen in der Gr R enordnung pF ausgewertet Das trifft z B auch f r die Drucksensoren der ifm zu die ebenfalls nach dem kapazitiven Prinzip arbeiten Bedeutung der Abk rzungen m milli 10 u mikro 10 n nano 10 p piko 10 Ein Punkt sollte um Missverst ndnisse zu vermeiden noch verdeutlicht werden Ladungen werden nicht einfach erzeugt genauso wenig wie sie verschwinden k nnen Ladungen werden getrennt Das hei t um Ladun gen auf ein Objekt zu bringen m ssen sie einem anderen weggenommen werden Damit wird auch ein einfaches Beispiel f r einen Kondensator der Platten kondensator besser verst ndlich siehe Abbildung 2 Hier wird nicht eine Platte allein geladen sondern beide allerdings mit umgekehrtem Vorzei chen Zwischen den Platten tritt ein elektrisches Feld auf Damit wird be schrieben dass z B eine negative Ladung zwischen den Platten von der negativen Platte abgesto en und von der positiven angezogen wird Bisher wurde auch nicht erw hnt dass die elektrische Spannung nicht ab solut zu sehen ist sondern erst als Differenz zwischen zwei Punkten sinn voll ist Beim Plattenkondensator ist z B die Spannung zwischen den Plat ten gemeint Mit dieser berlegung ist auch die Formel f r die Kapazit t eines Platten kondensators ganz anschaulich zu verstehen Wenn der Abstand der Plat ten gering ist muss weniger Arbeit geleistet zu werden um die Ladungen zu
40. ethoden gibt es systembedingte Probleme Die Wellen lassen sich schlecht fokussieren Daher ist die An wendung z B in F llen wo Einbauten wie Verstrebungen oder unregel m ig geformte Beh lter vorhanden sind problematisch Echos allein von den Gef w nden k nnen schon zu St rungen f hren Au erdem ist die Ermittlung der F llh he bei sch umenden Fl ssigkeiten unsicher Auch Wellen auf der Oberfl che des Mediums k nnen die Mes sung st ren Bisher werden auch schon unterschiedliche kapazitive Verfahren verwen det Teilweise sind sie vergleichbar mit den ifm Systemen Andere Verfah ren bei denen direkt eine Elektrode in das Medium eingef hrt wird sind anf llig gegen nderungen der Leitf higkeit des Mediums Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 15 Vibration St rungen der F llstandsbestimmung ifm electronic Diese Ger te arbeiten nach dem Prinzip einer Stimmgabel Bekanntlich ist bei einer Stimmgabel durch den Werkstoff und die Form die Schwingfre quenz weitgehend auf einen Grundton beschr nkt Taucht man eine Stimmgabel mit den frei schwingenden Enden in eine Fl ssigkeit dann wird sie verstimmt Die Verstimmung wird elektronisch ausgewertet und erm glicht den Einsatz als Grenzwertgeber Hier wird sie auch als Schwinggabel bezeichnet Man spricht auch von ei nem Vibrationssensor Weil die Enden dabei paddelf rmig sind werden sie auch Paddelschalter genannt Sie k nnen kein analoges Signa
41. gen St rungen bezeichnet 2 2 3 Auswertung Zun chst muss die in Kapazit ts nderung enthaltene Information in ein Schaltsignal bersetzt werden Damit wird erreicht dass nur einer von den zwei m glichen Schaltzust nden Strom flie t oder Strom flie t nicht eingenommen werden kann Auf den Elementarsensor folgen weitere Stufen die das Signal auswerten Abbildung 15 zeigt die Auswertung beim Schwingkreisverfahren Ein Ver gleich mit den Schulungsunterlagen induktive Sensoren macht deutlich dass induktive und kapazitive Sensoren elektronisch im Prinzip gleich auf gebaut waren Unterschiede bestanden in folgenden beiden Punkten Art des Elementarsensors und Einstellm glichkeit bei kapazitiven Ger ten Durch die Weiterentwicklung des kapazitiven Prinzips sind aber heute die Schaltungen nicht mehr direkt vergleichbar Auch bei der Einstellung des Schaltpunktes bzw der Empfindlichkeit gibt es inzwischen Unterschiede siehe 3 4 Befindet sich ein Objekt exakt in diesem Schaltpunkt oder n hert es sich diesem langsam schleichend dann besteht die Gefahr dass der Schaltausgang st ndig zwischen den beiden Zust nden hin und her pen delt man bek me ein so genanntes Ausgangsflattern Dies wird durch ei ne eindeutig definierte Hysterese verhindert die elektronisch erzeugt wird siehe 2 3 2 Weiterhin muss durch schaltungstechnische Ma nahmen sichergestellt werden dass im Moment des Anlegens der Betriebsspannung kein f
42. gig voneinander ansehen Im Fol genden werden sie daher auch nicht getrennt besprochen sondern im Zu sammenhang Die Abbildung zeigt schematisch den Aufbau eines kapazitiven Sensors Fr her wurden die Bauteile auf eine bliche starre Platine aufgebracht und verl tet Die Schaltung heute ist als flexibler Leiterfiim mit SMD Bauteilen ausgef hrt Der Elementarsensor besteht bei den meisten Typen aus be cherf rmigen Elektroden siehe 2 2 1 Beim Typ KNQ und beim analogen F llstandsensor bestehen diese aus fl chenhaften Leiterfolien auf dem Film Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 36 Trend Integration Verguss Einstellung Potentiometer ifm electronic 4 5 6 7 1 LED 2 Kompensationselektrode 3 Geh use 4 Anschlussleitung 5 Bauelemente Tr ger 6 Masseelektrode 7 aktive Elektrode Abbildung 26 Aufbau eines kapazitiven Sensors Ein weiterer Unterschied zwischen der fr heren und der neuen Generation der kapazitiven Sensoren ist zu beachten In Abbildung 26 ist ein Sensor mit Potentiometer dargestellt also ein Ger t der fr heren Generation Heu te wird zur Einstellung eine Taste verwendet vgl Abbildung 27 und Abbildung 31 Der innere Aufbau ist hnlich aber das Potentiometer ent f llt Zur Verringerung der Bauelementezahl und zur Realisierung von Zusatz funktionen werden immer h ufiger spezielle integrierte Schaltungen einge setzt Diese ICs werden nach ifm Vorgaben von Halbleiter
43. h here Empfindlich keit gegen ber berspannung und berstr men siehe z B 3 3 k nnen in der Regel toleriert oder durch geeignete Schutzma nahmen weitgehend vermieden werden 2 3 Praktischer Einsatz 2 3 1 Schaltabstand Auf den ersten Blick scheint das ganz einfach zu beantworten Bei n herer Betrachtung zeigt sich jedoch dass es wichtig zum richtigen Verst ndnis ist Kapazitive Sensoren arbeiten ber hrungslos man muss mit dem zu er fassenden Objekt nur in die N he des Sensors kommen Was hei t aber in die N he kommen Dieser Abstand bei dem ein Sensor in der Lage ist einen Gegenstand sicher zu detektieren hei t Schaltabstand Er h ngt ab von der Art und der Bauform des Sensors das hei t vom Typ den spezifischen Eigenschaften des verwendeten Exemplars u eren Bedingungen Form Abmessung und Materialeigenschaften der zu erfassenden Ob jekte Zu jedem Typ gibt es daf r eine charakteristische Gr e den Bemes sungsschaltabstand auch Nennschaltabstand genannt der auch auf dem Typenschild zu finden ist Er h ngt bei kapazitiven Systemen ab von der Form und den Abmessungen der Elektroden also des Elementarsensors Als Faustregel kann gelten dass der Schaltabstand um so gr er ist je gr er die u eren Abmessungen des Sensors sind Die Werte liegen et wa zwischen 1 bis 60 mm Anders als z B bei induktiven Sensoren ist der Schaltabstand bzw die Empfindlichkeit bei kapazitiven einstellbar
44. h als teach in bezeichnet Damit wird es auch dem unge bten Bediener erm glicht einfach und si cher das Ger t einzustellen Falls das doch einmal misslingt dann liegen die Verh ltnisse so ung nstig dass man davon ausgehen kann dass auch die manuelle Einstellung nicht zum Erfolg f hrt Da diese Anwendung so h ufig ist gibt es auch Kunststofffenster die mit einem Haltewinkel zur Montage des Sensors versehen sind als Zubeh r Das Fenster ist entweder gerade oder gekr mmt auf bestimmte Rohr durchmesser angepasst Daneben gibt es auch noch Tauchrohre oder Schutzrohre aus PTFE die das Ger t vor dem Kontakt mit aggressiven Medien bewahren Sie finden diese im Katalog oder auf Anfrage bei www ifm com Bei dieser Anwendung ist besonders zu beachten dass sich der Sensor m glichst dicht vor der Wand befinden sollte In Einzelf llen kann es sogar zweckm ig sein ihn mit der Wand zu verkleben Je gr er n mlich der Abstand des Sensors von der Wand ist desto schwerer f llt es ihm die Wand von dem Medium dahinter zu unterscheiden Die Ger te mit Mikroprozessor vom Typ KN siehe 3 3 sind mit einer Pro grammierleitung versehen Damit l sst sich ein Leerabgleich auch aus der Entfernung durchf hren Das ist besonders in folgenden F llen interes sant schwer zug nglicher Einbauort oder Verschmutzung der Wand Bei der Kontrolle des F llstands von Wasser kann es vorkommen dass nach der Entleerung des Gef es noch Was
45. hause 34mm G zylindrisches Geh use M18 x 1 I zylindrisches Geh use M30 x 1 5 D rechteckiges Kunststoffgehause 120 x 80 x 30mm DE rechteckiges Kunststoffgehause 105 x 80 x 40mm L Ampelschalter U T rschalter X M34 9 Sonderbauform 3 Geh useausf hrung Standard Kunststoffh lse E Gehause mit Kabelanschlu raum 4 Anschlu system 2 Zweileiter System 3 Dreileiter System 4 Vierleiter System 5 Schaltabstand in mm 8 Zusatzbezeichnungen Standard B B ndiger Einbau bei erh htem Schaltabstand A Schlie erfunktion bei Zweileiter und bei Dreileiter NPN ffnerfunktion bei Dreileiter PNP B ffnerfunktion bei Zweileiter und bei Dreileiter NPN Schlie erfunktion bei Dreileiter PNP C Antivalenter Ausgang F Ausgangsfunktion programmierbar 1 Ausgangssystem n B Halbleiterausgang bei AC und AC DC Geraten N Halbleiterausgang minusschaltend P Halbleiterausgang positivschaltend R Halbleiterausgang plus oder minusschaltend 1 Kurzschlu schutz rn K mit Kurzschlu schutz O ohne Kurzschlu schutz 12 Anschtu spannung A Alternativ Gleich oder Wechselspannung AC DC Gleichspannung DC Wechselspannung AC za 2LEDs 2 LEDs ASL Schutzleiter ASS Schutzschlauchstutzen xm mit x Meter langem Kabel JPU Punkt
46. her beschrieben Der Sensorhersteller kann sich Ger te von den zust ndigen Stellen pr fen und abnehmen lassen Er kann aber keine Aussage treffen welches Ger t in einem konkreten Anwendungsfall eingesetzt werden darf Jeder Anwen der ist selbst daf r verantwortlich die Normen und Vorschriften zu kennen und korrekt anzuwenden Der Einsatz in explosionsgef hrdeten Bereichen nicht nur in der chemi schen Industrie sondern z B auch in Farbspritzkabinen in M hlen oder in Tankanlagen ist der lteste Anwendungsbereich f r Sensoren berhaupt Da in diesen Bereichen nur sehr kleine Spannungen verwendet werden d rfen gibt es mit mechanischen Schaltern oft Probleme In Sensoren hin gegen entstehen betriebsm ig keine Funken Lichtb gen oder unzul ssig hohen Temperaturen so dass viele Ausf hrungen in bestimmten Ex Zonen direkt einsetzbar sind Damit sind die Anforderungen an das Ger t schon kurz umschrieben Es darf in keinem Fall z B bei mechanischer Zerst rung eines Ger ts durch Kurzschluss ber ein Bauteil das elektrische Energie speichert also Spule oder Kondensator ein Funke entstehen der eine Explosion ausl sen kann Realisiert werden solche Anforderungen z B durch die Trennung in zwei Ger te Der eigentliche Sensor oder das Sensorelement kann in den ge f hrdeten Bereich gesetzt werden Der Schaltausgang befindet sich in ei nem separaten Schaltverst rker der au erhalb dieses Bereichs ange bracht sein m
47. herstellern ge fertigt Sie erm glichen insbesondere die automatische Einstellung des optimalen Schaltpunktes siehe 3 4 mit einer Taste statt aufwendig ein Potentiome ter einzubauen Dadurch sinkt f r den Anwender die Gefahr von Bedie nungsfehlern und Besch digungen des Ger ts Preissteigerungen k nnen abgefangen werden Nach Montage der Elektronik in das Geh use werden in der Regel die dann noch vorhandenen Hohlr ume mit einer Vergussmasse ausgef llt Das hat den Vorteil dass das Geh use eine noch gr ere mechanische Stabilit t erh lt die Elektronik gegen Vibration gesch tzt ist und das Ein dringen von Staub und Feuchte verhindert wird So erf llen die Ger te die Anforderungen der Anwender nach einem universell einsetzbaren und ro busten Schalter In Zukunft werden wahrscheinlich vermehrt Ger te ohne Verguss zum Ein satz kommen Das Thema Verguss wird in den Schulungsunterlagen in duktive Sensoren ausf hrlicher diskutiert Der Verzicht auf Verguss erbringt vor allem die Vorteile Leichtere Entsor gung von Altger ten bessere W rmeabfuhr der Bauteile unter Belastung und weitere Verbesserung der Dichtigkeit durch den Einsatz dem Prozess besser angepasster Werkstoffe Bei kapazitiven Sensoren ist die Empfindlichkeit einstellbar siehe 2 3 1 Bei manchen Typen geschieht das noch mit einem Potentiometer siehe Abbildung 26 Bei diesen Typen muss besondere Aufmerksamkeit auf die Abdichtung des Potentiometers ode
48. hung von len mit dem LK bei Temperaturen von bis zu 80 C un eingeschr nkt m glich Der Einsatz in Wasser und Wasser mit Reinigungsmitteln bei Temperatu ren gr er 30 C f hrt unweigerlich zu einem Ausfall des Sensors Aus diesen Erkenntnissen abgeleitet ergeben sich die folgenden sicheren Einsatzgebiete des LK e _K hlschmiermittel l Wasseremulsionen in einem Temperaturfens ter von 0 30 C e le in einem Temperaturfenster von 0 80 C Alle anderen Applikationen bed rfen einer Beurteilung von unserem Appli kationsteam in Tettnang Bitte wenden Sie sich an Ihre zust ndige Nieder lassung oder fordern Sie hier Informationen an per Internet www ifm com Was sind die n chsten Schritte um weitere Applikationen zu erschlie en Viele unserer Sensoren werden in Anlagen zur Reinigung von bearbeiteten Metallteilen eingesetzt Das zu berwachende Medium ist hierbei Wasser mit Reinigungsmitteln Die Temperatur in diesen Applikationen kann bis zu 70 C betragen Um in diesen Anwendungen eine langzeitstabile F llstands berwachung anbieten zu k nnen haben wir ein Klimarohr konzipiert in das der LK ein geschoben wird Zwischen dem Sensor und der Wandung des Klimarohres ist ein definierter Luftspalt Wasser das durch die oben beschriebene Per meation durch das Klimarohr dringt entweicht wieder ohne den Sensor zu beeintr chtigen F r alle drei L ngen der Sensoren werden entsprechende Klimarohre und Befestigungen ge
49. hwierige Einsatzf lle werden auch Sondergeh use aus kor rosionsbest ndigem Edelstahl bzw aus PTFE angeboten Im Einsatzbereich von Sensoren also in industriellen Umgebungen treten elektromagnetische St rungen von sehr vielf ltigem Aussehen und hohen Energiepegeln auf Zum Beispiel durch Rundfunksender durch Schaltvor g nge im Netz durch das Abschalten induktiver Lasten oder auch durch Blitzeinschl ge Solche elektromagnetischen St rungen k nnen ber das Sensorfeld in den Sensoren eingekoppelt werden Wegen der im Vergleich zur Wellen l nge von Rundfunkwellen geringen Abmessungen des Sensors besteht bei solchen periodischen St rungen eine sehr geringe Gefahr der Beein flussung Sto artige St rungen von kurzer Dauer k nnen schaltungstech nisch herausgefiltert werden so dass sich eine insgesamt hohe St rfestig keit f r Sensoren ergibt Eine weitere M glichkeit der Einkopplung von m glichen St rungen ist das Kabel Bei ung nstiger Leitungsf hrung kann es vorkommen dass die Zu leitung zum Sensoren als Empfangsantenne f r Rundfunkwellen wirkt o der dass ber parallel gef hrte Leitungen mit einem hohen St ranteil zahl reiche sto artige St rungen eingekoppelt werden Besonders die Weiterentwicklung von Frequenzumrichtern ergibt erh hte Anforderungen In Sonderf llen kann der Einbau eines Entst rfilters Abhil fe schaffen Grenzwerte f r die Best ndigkeit gegen diese St rungen werden durch die EMV Richtli
50. i der Wartung automatisierter Anlagen z B beim Austausch eines ausgefallenen Ger ts der Zeitaufwand ein wesentlicher Kostenfaktor ist ist ein Trend zum Steckerger t zu beobachten Die m gliche Fehlerquelle einer undichten Verbindung wird dabei in Kauf genommen Sie kann aber nur z B durch zu lockeres oder zu festes Gefahr der mechanischen Be sch digung Anziehen der Mutter undicht werden Hier hat sich der Uni versalstecker mit M 12 Gewinde durchgesetzt Um den speziellen Anforderungen dieser Applikation gerecht zu werden gibt es daf r optimierte Ger te Sie sind z B mit vergoldeten Kontaktstif ten ausgestattet Der Griffk rper der Kabeldose sollte aus PVC bestehen weil dieses Material am besten Wasser und Reinigungsmitteln widersteht In der Regel ist es nicht erforderlich einen Schl ssel mit einstellbarem maximalem Drehmoment zur Montage zu verwenden Es sollte klar sein dass mit Kunststoffgewinden sensibler umgegangen werden sollte als mit Metallgewinden Bei Ger ten mit Klemmenraum muss die Verschraubung fest genug angezogen werden um die Schutzart zu gew hrleisten siehe Schulungsunterlagen Schutzarten Kapazitive Sensoren sind als Sensoren in industriellen Prozessen in be sonderem Ma e Umwelteinfl ssen wie Hitze K lte Staub Vibration Feuchte aggressiven Fl ssigkeiten und D mpfen usw ausgesetzt Sie m ssen daher in Geh usen untergebracht werden die gegen diese Ein wirkungen best ndig sind Der G
51. ichstrom muss die Polarit t beachtet wer den In vielen L ndern und Branchen sind pnp schaltende Sensoren b lich Sei es durch ein importiertes Steuerger t oder beim Export einer kompletten Anlage in L nder in denen die andere Polarit t gebr uchlich ist sind die unterschiedlichen Polarit ten eine m gliche Fehlerquelle be sonders wenn ein ausgefallener Sensor ersetzt werden muss Z B trifft man in Japan noch h ufig npn Ger te an Es kommt h ufig vor dass zwei Ger te die sich nur durch ihre Schaltfunk tion unterscheiden und ansonsten v llig gleich sind ben tigt werden Wenn es wirklich zwei Ger te sind verdoppelt sich die Lagerhaltung an Ersatzger ten Au erdem ist der Ersatz eines ausgefallenen Ger tes eine m gliche Fehlerquelle Speziell bei den Ger ten mit Klemmenraum l sst sich die Schaltfunktion durch Auswahl der Anschlussklemmen bestimmen Das ist bei den Standardger ten aber nicht m glich Die Entwicklung der Quadronormger te stand unter der Zielsetzung die oben genannten Punkte zu verbessern Sie haben folgende Eigenschaf ten Reststrom in der Regel 0 4 0 6 mA automatische Erkennung und Einstellung auf Polarit t Schaltfunktion wird durch Vertauschen der Anschl sse invertiert Bei der farblichen Markierung der Adern mussten neue Wege beschritten werden da die blichen Farben z B BN f r L nicht verwendbar sind vgl 3 7 3 Sonderbauformen Eine spezielle Bauform wird als ber hru
52. ie Oberfl chenbe schaffenheit des zu detektierenden Objekts ist ebenfalls nicht ausschlag gebend hnlich wie beim induktiven Sensor muss sich gen gend Material in der N he des Elementarsensors befinden um erkannt zu werden Dagegen ist es unerheblich ob es sich um kompakte fl chenhafte Gegenst nde han delt oder z B um geschlitzte wie bei einem Kamm Einzelne im Verh ltnis zur Sensorfl che kleine Gegenst nde z B Sp ne von einem Bearbeitungsprozess Riefen oder Grate auf der Oberfl che des Werkst cks beeinflussen die Funktion erst dann wenn sie in gro er Zahl auftreten Bei unregelm ig geformten Gegenst nden ist die Mes sung ebenfalls integrierend und kaum zur Bestimmung der Entfernung ge eignet Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 27 Sauberkeit R ckwirkung auf das Objekt durch die Wand wie finde ich den geeigneten Sensor b nb f nf ifm electronic Eine wichtige Bedingung f r die zuverl ssige Funktion kapazitiver Senso ren ist Sauberkeit Eine gleichm ige leichte Bedeckung mit Staub oder einen Wasserfilm durch Betauung kann nat rlich in Grenzen kompensiert werden H ufen sich aber z B S gesp ne auf dem Sensor dann kann es zu Fehlschaltungen f hren Wenn es bei automatisierten Prozessen zu St rungen durch Fehlschaltun gen kapazitiver Sensoren kommt dann ist eine Reinigung vorzunehmen Z B in der Holzverarbeitung ist es h ufig schon zur Routine geworden die
53. iele 55 4 1 bersicht 55 4 2 Beispiele 56 Anhang 57 5 1 Pluspunkte 57 Typenschl ssel 58 Kleines technisches Lexikon 58 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 4 wozu Sensor intelligent ifm electronic 1 Einleitung 1 1 Sensoren in industriellen Prozessen In automatisierten Produktionsabl ufen ist der Einsatz von Sensoren als Informationsgeber Voraussetzung Sie senden die notwendigen Signale ber Positionen Endlagen F llst nde oder dienen als Impulsgeber Ohne zuverl ssig arbeitende Sensoren ist die beste Steuerung nicht in der Lage Prozesse zu kontrollieren Generell bestehen all diese Sensoren aus zwei Komponenten Die erste registriert die nderung physikalischer Zust nde Elementarsensor die zweite setzt die Signale des Elementarsensors in elektrische Ausgangs signale um Signalverarbeitung Man unterscheidet allgemein zwischen so genannten bin ren Sensoren die ein eindeutiges High Low Signal schalten und so genannten analogen Sensoren die vorzugsweise in der Messtechnik zur Temperatur Weg Druck Kraftmessung usw eingesetzt werden Hierbei gibt der Sensor ein analoges Signal ab welches zur Messung und Regelung weiter ausgewer tet wird Die Abbildung zeigt das allgemeine Schema das im Prinzip auf jeden Sen sor zutrifft Unterschiede gibt es nur im Detail z B wenn einzelne Kompo nenten nicht vorkommen oder nicht zu trennen sind Manchmal wird auch der Elementarsensor kurz als S
54. igenschaften die z B f r den Einsatz in der Lebensmiittelindustrie be sonders geeignet sind empfohlen Als weitere Variante sind spezielle Ger te mit Anschlussraum erh ltlich bei denen der Anwender eine Leitung seiner Wahl montieren kann Die Dichtigkeit des Anschlussraums wird durch eine PG Verschraubung er reicht durch die das Kabel gef hrt wird Hier gibt es die zylindrische Bauform mit M 18 bei der das Kabel entweder in Richtung der L ngsachse verl uft oder bei beengten Platzverh ltnis sen durch Schwenken des patentierten Anschlussstutzens um 90 abge winkelt zugef hrt werden kann Als Beispiel f r eine anwendungsorientierte Geh useform sei ein kapaziti ver Sensor genannt der als verschlei freier Schalter an Fu g ngerbe darfsampeln eingesetzt wird 3 3 Elektrische Daten Es gibt eine Reihe von elektrischen Eigenschaften die allen elektroni schen bin ren Positionssensoren z B induktiven und kapazitiven Senso ren optoelektronischen Sensoren usw gemeinsam sind Daher werden sie separat ausf hrlich behandelt siehe Schulungsunterlagen Anschluss technik Hier wird im Folgenden nur kurz auf wichtige Punkte und Beson derheiten hingewiesen ohne dass die verwendeten Begriffe noch einmal ausf hrlich erl utert werden Die Daten die den analogen F llstandsensor betreffen sind f r diesen spezifisch und werden hier in 3 5 behandelt 3 3 1 Wichtige Parameter Folgende Parameter sind beim praktischen Ei
55. ik Diese betreffen wieder den Rest strom und Spannungsabfall bei 2 Leitern und auch bei 3 Leitern m gliche Auswirkungen auf die Bereitschaftsverz gerungszeit z B bei Reihen schaltung Ma gebend f r die Praxis ist nicht die Nennspannung sondern der Span nungsbereich in dem die Ger te zuverl ssig arbeiten Diese sind in den Datenbl ttern und auf dem Typenschild zu finden Die Normen die der CE Kennzeichnung zu Grunde liegen definieren u a den Grad der lei tungsgef hrten St reinfl sse denen das Ger t widerstehen muss siehe Schulungsunterlagen CE Kennzeichnung Bei Gleichspannung ist zu beachten dass auch die Restwelligkeit die Grenzwerte nicht berschreitet Es gen gt nicht nur einen effektiven Mit telwert zu kontrollieren Wenn am Netzteil gespart wurde so dass keine hinreichend gegl ttete Spannung zur Verf gung steht dann ist die zuver l ssige Funktion nicht mehr gew hrleistet Wenn die Restwelligkeit unter den Grenzwert der Betriebsspannung des Sensors sinkt hilft ein Gl ttungskondensator Als Faustregel kann hierf r gelten 1000 uF pro 1 A Stromst rke Je nach Bauform und Typ sind die Ger te mit unterschiedlichen Schutzbe schaltungen ausgef hrt Im Einzelnen ist das der Schutz gegen berlast Kurzschluss Verpolung 3 3 2 bersicht Die folgende bersicht zeigt die Familie der kapazitiven Sensoren in Form eines Baumes DC und AC d rften bekannte Begriffe sein UC steht f r universal cu
56. kann der Schaltab stand nur aus der Erfahrung abgesch tzt werden und sollte durch praktische Versuche ermittelt werden Anders als beim induktiven Sensor ndert sich der Schaltabstand kaum wenn an Stelle eines kompakten Objekts ein geschlitztes Objekt z B ein Kamm erfasst wird Sollen Objekte aus beliebigem Material erfasst werden so muss der Schaltabstand ebenfalls korrigiert werden Bei kapazitiven Sensor h ngt der Korrekturfaktor von der Kapazit ts nderung des Kondensators an der Sensorspitze ab siehe 3 in 1 3 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 24 Materialdicke Wand ifm electronic Je st rker diese nderung desto eher wird ein Objekt erkannt Damit ist der Korrekturfaktor direkt abh ngig von der relativen spezifischen Die lektrizit tskonstante des jeweiligen Stoffes s folgende Abbildung Kw Er Abbildung 17 Korrekturfaktor Material Aus dem Diagramm l sst sich ablesen dass der kapazitive Sensor beson ders auf Wasser anspricht Das ist ein erw nschter Effekt wenn z B der Wasserstand durch eine Wand aus Kunststoff oder Glas hindurch ber wacht wird siehe 2 3 4 Andererseits ist damit der Sensor anf lliger ge gen St rungen durch Spritz oder Kondenswasser Im Prinzip m sste auch die Temperaturabh ngigkeit von e ber cksichtigt werden Bei den meisten Medien ist sie jedoch schwach ausgepr gt so dass sie keine praktische Bedeutung hat Anders verh lt es sich wenn ei
57. kapazitiven Sensoren von Zeit zu Zeit von S gesp nen zu reinigen Da an den Elektroden nur eine sehr kleine Spannung anliegt und die Elekt ronik mit nur wenigen Mikrowatt Energie betrieben wird l dt sich der Sen sor nicht statisch auf und verursacht keine Hochfrequenzst rungen im Umgebungsbereich kein Elektrosmog Er arbeitet praktisch vollkommen r ckwirkungsfrei Bei der h ufigen Applikation Kontrolle eines F llstands wird die F higkeit des Sensors durch die Wand sehen zu k nnen genutzt Das ist bei Metallw nden nicht m glich Kunststofffenster mit Haltewinkeln sind als Zubeh r erh ltlich Die automatische Kompensation der Wand ist einfach und zuverl ssig Der Sensor sollte m glichst dicht an der Wand angebracht werden Fr her bedurfte es einer manchmal m hsamen Recherche im Katalog Hier ist der elektronische Katalog von Vorteil Ein automatischer Selektor trifft nach vorgegebenen Kriterien eine Auswahl von passenden Ger ten 2 4 Montagehinweise 2 4 1 B ndig Nicht b ndig Das ist ein wichtiges Kriterium f r den praktischen Einsatz der Ger te Die entsprechende Eigenschaft ist durch die Konstruktion des Ger ts vorge geben und daher nicht nur auf dem Datenblatt sondern auch auf dem Ty penschild zu finden Fr her wurde die Abk rzung b bzw nb verwendet Heute wird die international verst ndliche Bezeichnung f f r flush moun table bzw nf f r not flush mountable verwendet Durch das Funkti
58. ktromagnetische Beeinflussung ifm electronic Aus Sicherheitsgr nden ist es jedoch wichtig zu wissen wie gut ein Sen soren gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in das Ger t gesch tzt ist Dazu dient die zweite Ziffer der IP Schutzartenkennzeichnung Hierbei be deutet z B die 7 dass ein Sensor so gegen das Eindringen von Wasser gesch tzt ist dass er in 1 m Wassertiefe eine halbe Stunde aufbewahrt werden kann ohne dass Wasser in sch dlichen Mengen in ihn eindringt In der Regel werden Sensoren mit den Schutzartenklassifizierungen IP65 und IP67 angeboten Ger te mit eingegossenem Kabel haben in der Regel die Schutzart IP 67 Bei Ger ten mit Klemmenraum oder Steckern wird IP 65 angegeben Diese k nnen aber h ufig auch unter Bedingungen einge setzt werden unter denen IP 67 erforderlich ist Die Schutzart wird ange geben weil sich durch Montagefehler z B falsches Einlegen der Dich tung ein verminderter Schutz ergeben kann Immer wenn Umgebungsbedingungen vorliegen in denen chemische Sub stanzen in fester fl ssiger oder gasf rmiger Form die Umgebung des Sen sors belasten k nnen muss sorgf ltig gepr ft werden ob Geh use und Anschlussleitungen gegen diese Substanz ausreichend best ndig sind Die heute gebr uchlichen Kunststoffgeh use aus glasfaserverst rktem Material bzw die zus tzlich metallummantelten Ger te sind f r den Ein satz auch in chemisch belasteten Umgebungen meistens geeignet F r besonders sc
59. l erzeu gen Sie m ssen direkt mit dem Medium in Kontakt kommen was sie an f llig gegen Ablagerungen Korrosion usw macht Es gibt eine Vielzahl von Bauformen aus der das f r die Anwendung geeignete Ger t ausgesucht werden muss Dieses ist dann aber f r andere Anwendungen weniger geeignet Es muss also damit gerechnet werden dass mehrere unterschiedliche Typen ben tigt werde Insbesondere sind die Bauformen f r die Erfassung von fl ssi gen Medien und von Sch ttg tern unterschiedlich In Abbildung 9 ist die paddelf rmige Schwinggabel von der Seite gesehen dargestellt Verdeckt dahinter liegt symmetrisch dazu der zweite Arm Die Darstellung ist nur schematisch und nicht zu verwechseln mit Abbildung 8 wo ein trichterf rmiger Sender und Empf nger angedeutet ist Abbildung 9 Schwinggabel Diese kurze bersicht soll gen gen Es gibt weitere Methoden z B op tisch auf die hier nicht eingegangen wird Zum Schluss sollen noch einmal kurz einige Bedingungen aufgez hlt wer den die eine F llstandserfassung in besonderem Ma e erschweren Bewegung des Mediums Bewegung von R hrwerken Schlamm oder Staub im Bereich ber dem Medium Schwebstoffe Blasen Ablagerungen im Medium Verkrustungen chemisch aggressive Medien Es zeigt sich auch hier dass elektronische Sensoren nach und nach me chanische L sungen verdr ngen Die oben aufgez hlten St reinfl sse wir ken sich ja meist erst recht beim mechanischen Ger t au
60. lche rauen Umgebungsbedingungen gesch tzt werden In den Datenbl ttern werden Angaben ber die Einsatzm glichkeiten und die Umweltbedingun gen gemacht unter denen die Ger te problemlos eingesetzt werden k n nen Hiermit wird die Temperatur des den Sensoren umgebenden Mediums angegeben Der hier einger umte zul ssige Temperaturbereich betr gt vielfach schon 25 C bis 80 C Innerhalb dieser Werte darf der Schalter beliebig lange betrieben werden Geringf giges kurzzeitiges ber oder Unterschreiten dieser Temperatur grenzen wird von den Schaltern in der Regel ebenfalls toleriert Das be deutet dass der Schalter nicht zerst rt wird dass sich aber der Schaltab stand innerhalb dieser Zeit ber den zul ssigen Bereich hinaus ver ndern kann F r andere Temperaturbereiche stehen Sonderger te zur Verf gung Sensoren besitzen keine beweglichen Teile Damit sind sie u erst un empfindlich gegen Schock oder Schwingbeanspruchung Richtwert f r die maximal zul ssige Schockbeanspruchung ist die 30fache Erdbeschleuni gung 30 g Richtwert f r die maximale Schwingbeanspruchung ist eine Frequenz bis zu 55 Hz bei einer Amplitude von 1 mm Kapazitive Sensoren k nnen durch Staubablagerungen von elektrisch nicht leitf higen Materialien beeinflusst werden Das ist auf Grund des Messprinzips unvermeidbar Die Kompensationselektrode siehe 2 2 1 beim bin ren Sensor dient speziell zur Kompensation dieser Umgebungs einfl ss
61. lstrom eingesetzt Dabei muss ein homogenes Medium mit kon stanter Leitf higkeit vorausgesetzt werden Eine Abwandlung dieses Sys tems beruht auf der Auswertung von nderungen des Potentialverlaufs Diese ist unabh ngig von der Leitf higkeit nur ein Mindestwert muss auch hier vorausgesetzt werden Die konduktive F llstandsmessung wird selten angewendet Das ist eine aussichtsreiche Technik f r die Zukunft Radarsensoren er zeugen prim r analoge Signale die nat rlich auch zur Grenzwerterfassung verwendet werden k nnen Die direkte Ermittlung der Laufzeit von Impul sen ist hier wegen der relativ kurzen Entfernungen zu aufwendig Daher werden Interferenzverfahren siehe Schulungsunterlagen optoe lektronische Sensoren verwendet Es gibt auch Verfahren bei denen die Abschw chung des Signals bei der Durchdringung des Mediums ausge wertet wird Diese Methode wird auch als Radiometrie bezeichnet Die Elementarsensoren gibt es allerdings noch nicht in gro en St ckzah len so dass der Preis noch relativ hoch ist Die EMV Problematik siehe Schulungsunterlagen CE Kennzeichnung f hrt dazu dass diese Methode nur in geschlossenen Metallgef en angewendet wird hnlich wie beim kapazitiven Prinzip darf die Dielektrizit tskonstante siehe 1 3 nicht zu klein sein Diese Technik wird zurzeit schon verwendet Ultraschallsensoren erzeu gen analoge Signale Abbildung 8 Radar oder Ultraschall Auch bei den beiden zuletzt genannten M
62. lt In Metallen brigens auch in anderen elektrischen Leitern wie Graphit k nnen sich Ladungen genau genommen Ladungstr ger ziemlich frei bewegen Was geschieht nun wenn der Raum zwischen den Kondensa torplatten mit Metall ausgef llt ist Damit kann wie gesagt nicht vollst ndig ausgef llt gemeint sein sonst w re der Kondensator kurzgeschlossen Es muss also auf beiden Seiten eine kleine L cke bleiben Wenn der Kondensator geladen ist entsteht ein elektrisches Feld zwischen den Platten Dieses wirkt auf elektrische La dungen die ja im Metall frei beweglich sind Die positiven Ladungen wer den sich also gegen ber der negativen Platte sammeln und umgekehrt Die Bewegung der Ladungen wird so lange anhalten bis im Inneren des Metalls das elektrische Feld kompensiert ist Der Begriff der Polarisierung verliert hier allerdings seinen Sinn Bei Leitern kann man also kein s ange ben Den Effekt der entstehenden Ladungsverteilung kann man sich leicht vorstellen wenn man sich die Anordnung durch zwei Kondensatoren er setzt denkt Abbildung 5 Metall im Kondensator Hier sollen jetzt nicht weitere Zusammenh nge elektrischer Schaltkreise erl utert werden Es soll nur daran erinnert werden dass bei der Reihen schaltung zweier Kondensatoren die gesamte Kapazit t geringer ist als die eines einzelnen Kondensators Jetzt muss man sich vor dem Fehlschluss h ten dass die Kapazit t des Plattenkondensators sinkt wenn Metall zwis
63. m einzelnen Ausf lle bei Vibrationen durch starke Medienbewegungen und unsichere F ll standserkennung bei metallischen Anhaftungen Beiden Problemen haben wir uns seitens der Entwicklung gestellt und entsprechende Optimierungen durchgef hrt Ein gesicherter Einsatz aller F llstandsensoren LK ist gew hrleistet in der berwachung von K hlschmiermitteln z B in der Werkzeugmaschine und der berwachung von len Was sind die technischen Hintergr nde In den Schulungsunterlagen f r Induktive Sensoren wurde im Zusam menhang mit dem neuen efector der auch bez glich Dichtigkeit weiter verbessert werden konnte ein Punkt herausgehoben Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 49 ifm electronic es gibt keinen wasserdichten Kunststoff Kunststoffe wie zum Beispiel das verwendete Polypropylen PP f r den Sensorstab haben die Eigenschaft durchl ssig f r Wassermolek le zu sein Diesen Vorgang bezeichnet man als Permeation Je h her die Temperatur des Mediums ist desto schneller dringt das Medium in den Sensorstab ein Die eingedrungenen Wassermolek le kondensieren im Stab wiederum zu Wasser Dieses Wasser f hrt zu Korrosion des Leiterfilms Das Ergebnis ist der Ausfall des Sensors Im Gegensatz zu Wasser bestehen le che misch gesehen aus langen Molek l Ketten Auch bei hohen Temperaturen ist es diesen langen Molek l Ketten nicht m glich den Kunststoff des Sensorstabes zu durchdringen Daher ist die berwac
64. mit auch analoge Messungen m glich sie erfordern aber einigen mechanischen Aufwand Auch wegen der geringen Genauigkeit werden sie eher f r einfache berwachungsaufgaben eingesetzt Abbildung 7 Auftriebsk rper Wie in den Schulungsunterlagen Drucksensoren ausf hrlicher beschrieben wird k nnen Drucksensoren auch zur F llstandsmessung eingesetzt wer den Um eine gute Genauigkeit zu erreichen m ssen hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit und Aufl sung gestellt werden Um den F llstand in einem geschlossenen Gef zu messen bei dem der Innendruck vom Atmosph rendruck abweichen kann ist eine Differenzdruckmessung er forderlich Gemeinsam ist diesen mechanischen Methoden die Anf lligkeit gegen Verschmutzungen Ablagerungen oder Verkrustungen Die Schwimmer und Verdr ngersysteme m ssen teilweise durch aufwendige Umbauten gegen Bewegungen des Mediums Str mung oder Wirbel gesch tzt wer den Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 14 Leitf higkeit Radar Ultraschall St rungen kapazitiv ifm electronic Diese Methode wird auch als konduktive F llstandsmessung bezeichnet Zwei Elektroden befinden sich im Medium das eine gewisse Mindestleit f higkeit besitzen muss Bei metallischen Gef en kann auch die Wand als zweite Elektrode genutzt werden Der elektrische Widerstand dazwi schen h ngt von der F llh he ab Um R ckwirkungen z B elektrolytische Zersetzung zu vermeiden wird Wechse
65. n Applika tionen schwierig sein Das betrifft z B Applikationen bei denen der Sen sor den F llstand durch eine Wand hindurch siehe 2 3 4 erfassen soll Bei der ersten Generation wird die Einstellung durch ein Potentiometer vor genommen Bei F llstandsensoren geschieht die Einstellung automatisch Der Sensor w hlt selbst ndig die optimale Einstellung um diese Wand zu kompensieren Die zunehmende Verbreitung von Frequenzumrichtern erzeugt erh hte lei tungsgebundene hochfrequente St rpegel auf die der kapazitive Sensor auf Grund seines Funktionsprinzips empfindlicher reagiert als andere Sen soren Das Messverfahren wurde deshalb so modifiziert dass der kapazi tive Sensor weitgehend stabil gegen solche St rungen ist Einzelheiten dazu werden in 2 2 2 beschrieben 1 2 Kapazit t Dieser Begriff ist wahrscheinlich jedem gel ufig er wird ja in vielen Zu sammenh ngen verwendet In Bezug auf elektrische Ladungen hat er eine spezielle Bedeutung Es soll nur kurz daran erinnert werden dass es zwei Arten elektrischer Ladung gibt die mit und bezeichnet werden Diese Ladungen sind an Tr ger z B Elektronen und andere Elementarteilchen gebunden Normalerweise gleichen sich die Ladungen in den Objekten die uns um geben aus Diese sind elektrisch neutral Dass Ladungen aber vorhanden sind ist im n chsten Kapitel 1 3 von besonderer Bedeutung Wenn es ei nen berschuss an Ladung gibt positiv oder negativ dann sagt man das
66. n Gr enordnung sind kommt es noch auf die Dicke der Wand an Im Zweifelsfall Iohnt sich immer ein praktischer Versuch Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 25 Verfahren Zubeh r Ferneinstellung ifm electronic Ein Teil der Ger te wird mit einem Potentiometer eingestellt Man versucht dabei eine Mittelstellung zu finden bei der der Sensor auf das Medium an spricht jedoch nicht au die Wand In Einzelf llen kommt es dabei auf das Fingerspitzengef hl des Bedieners an etwas Erfahrung ist von Vorteil Wenn der Sensor berhaupt nicht mehr reagiert oder st ndig durchge schaltet bleibt also seine ganze Umgebung sein eigenes Geh use er kennt dann liegt das wahrscheinlich daran dass man weit vom Schalt punkt entfernt ist Man sollte dann die Geduld aufbringen um gegebenenfalls nach etlichen Umdrehungen den Schaltpunkt wieder zu finden Die neue Generation das sind Ger te die speziell f r die Anwendung Kontrolle des F llstands ausgelegt sind verf gen ber einen Mikroprozes sor und Folientasten oder einen ber hrungslosen Sensor Durch entspre chende Bet tigung der Tasten oder Bed mpfung des Sensors sucht sich das Ger t selbst ndig die optimale Einstellung Meist gen gt ein Leerabgleich bei dem eine Einstellung ermittelt wird bei der die Wand kompensiert wird In kritischeren F llen kann zus tzlich ein Vollabgleich durchgef hrt werden In 3 4 wird das Verfahren genauer be schrieben Das wird auc
67. n oder ausein ander gezogen werden in jedem Fall wird das Feld geschw cht Z B werden gegen ber der negativen Platte positive Ladungen sitzen die die negative Ladung der Platte zum Teil neutralisieren Damit wird weniger Arbeit ben tigt um zus tzliche Ladungen auf die Platten zu bringen das hei t die Kapazit t steigt Formel 2 muss modifiziert werden C eo8 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 9 Dielektrikum Werte halb voll ifm electronic Ein Vergleich mit 2 zeigt dass g eine dimensionslose Zahl ist Sie wird relative Dielektrizit tskonstante genannt Sie stellt sozusagen den Korrek turfaktor dar mit dem die Kapazit t zu multiplizieren ist wenn sich Materie zwischen den Platten befindet Ihr Wert h ngt vom Material ab Mit dem Begriff von oben kann man diesen Wert anschaulich erkl ren e gibt an wie stark sich das Material polarisieren l sst GL Abbildung 3 Kondensator mit Dielektrikum Dieser Begriff h rt sich hochwissenschaftlich und abstrakt an dabei ist ein Dielektrikum eigentlich nichts Besonderes Jedes nicht elektrisch leitende Material ist ein Dielektrikum auf leitende Materialien wird unten eingegan gen Mit dieser Bezeichnung wird nur darauf hingewiesen dass im aktuel len Zusammenhang die Polarisierbarkeit die wesentliche Eigenschaft ist Falls sich keine Materie zwischen den Platten befindet Vakuum dann ist amp 1 Bei Luft ist der Unterschied so gering dass
68. ne Temperatur nderung mit einem Wechsel des Aggregatzustandes ver bunden ist siehe den betr chtlichen Unterschied zwischen Wasser und Eis in Abbildung 17 Elektrisch leitf hige Stoffe wie z B alle Metalle sind nicht dargestellt F r sie gilt als Korrekturfaktor immer 1 dass hei t man erreicht den h chst m glichen Schaltabstand siehe 1 3 Anders als beim induktiven Typ steigt der Schaltabstand mit der Material dicke an Er bleibt erst nach einem Grenzwert konstant Zu diesem Grenz wert l sst sich keine allgemeine Aussage treffen weil er vom Material und der Bauform des Sensors abh ngt 2 3 4 Kompensation der Umgebung Eine h ufige Anwendung schon bei bin ren Sensoren ist die Kontrolle eines F llstands Der analoge F llstandsensor wird in 3 5 beschrieben Besteht z B die Wand eines Gef es oder Rohres aus geeignetem Mate rial etwa Glas oder PVC nicht jedoch Metall und soll z B ein Wasser stand erfasst werden dann l sst sich der Sensor au erhalb des Gef es oder Rohres anbringen Durch die Einstellung der Empfindlichkeit l sst sich erreichen dass nicht die Wand sondern das dahinter befindliche Medium erfasst wird dass der Sensor quasi durch die Wand hindurchsehen kann Das ist besonders dann m glich wenn die Dielektrizit tskonstante des zu erfassenden Mate rials erheblich gr er ist als die des Wandmaterials Selbst wenn die Dielektrizit tskonstanten des Mediums und der Wand von der gleiche
69. ngsloser Schalter f r Fu g nger ampeln eingesetzt Mechanische Schalter haben hier die blichen Proble me wie Korrosion der Kontakte Speziell das Eindringen von Wasser durch Besch digung der Abdichtung oder Verspr den der Abdichtung durch Sonneneinstrahlung erfordern h ufigere kostspielige Wartungsarbeiten Nat rlich werden hier auch an kapazitive Sensoren besondere Anspr che gestellt Umgebungseinfl sse speziell durch Wasser m ssen besonders gut kompensiert werden damit die Ampel nicht bei jedem Regen schaltet Deshalb ist es auch besser den Sensor mit der Handfl che zu ber hren die Fingerspitze wird m glicherweise nicht erkannt Wegen ihrer Zuverl s sigkeit werden dies Schalter in betr chtlichen St ckzahlen eingesetzt 3 8 Kriterien f r die Praxis Die meisten der folgenden Punkte wurden oben schon ausf hrlich ange sprochen Zur besseren bersicht werden sie hier noch einmal zusam mengefasst und erg nzt Da Sensoren in Fertigungsprozessen in der Regel an ziemlich ungesch tz ten Stellen der Maschine eingesetzt sind sind sie den starken Umweltbe lastungen durch Hitze K lte Sto Vibration Staub Feuchte chemisch aggressiven Fl ssigkeiten usw unmittelbar ausgesetzt Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 52 Umgebungstemperatur Schock und Schwingbeanspruchung Fremdk rper und Staub Feuchte und Wasser ifm electronic Sie m ssen daher gegen Beeintr chtigung ihrer Funktion durch so
70. nien definiert siehe Bedingung daf r dass die Ger te die obligatorische CE Kennzeichnung tragen ist das Bestehen einer Reihe von Tests Dabei wird die Best ndigkeit gegen definierte St reinfl sse ge pr ft Wie oben erw hnt siehe 2 2 2 reagieren kapazitive Sensoren der fr he ren Generation empfindlicher auf solche Einfl sse als z B induktive Sen soren Durch neu entwickelte Messverfahren konnte diese Empfindlichkeit stark reduziert werden Im Internet in der oder im sind sie mit der Eigen schaft erh hte St rfestigkeit gekennzeichnet Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 54 Sonstige Einfl sse ifm electronic Im Vergleich zu anderen Sensortypen k nnen kapazitive Sensoren durch Schall und Licht nicht in ihrer Funktion gest rt werden Nur gegen ber in tensiver R ntgenstrahlung oder Radioaktivit t ist ein Sensoren nicht im mun 4 Applikationsbeispiele 4 1 bersicht Haupteinsatzgebiet f r Sensoren ist die Verwendung als Positionsschalter als Alternative zu mechanischen Positionsschaltern Ein mechanischer Endschalter ist zwar preisg nstiger aber einem gewissen Verschlei un terworfen Wenn er dann ausf llt k nnen ganze Anlagenteile Transportb nder o f r Stunden zum Stillstand kommen Aus dieser berlegung heraus ist es schon sinnvoll an all diesen Stellen statt mechanischer Schalter ber h rungslos und verschlei frei arbeitende elektronische Sensoren einzuset zen Bei
71. nsatz von Bedeutung Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 40 Anschlusstechnik Spannungsversorgung Restwelligkeit Schutzbeschaltung ifm electronic Bin re Sensoren werden in so genannter 2 Leiter und 3 Leiter Technik angeboten Bei 3 Leiter Schaltern wird die Betriebsspannung zwischen Us und O V angelegt und das Schaltsignal ber eine Extraleitung zur Last gef hrt Bei 2 Leiter Schaltern ist die Betriebsspannung diejenige die der Reihenschaltung von Sensoren und Last gemeinsam zur Verf gung steht In der Praxis sind dabei folgende Punkte zu beachten Spannungsabfall und Reststrom bei 2 Leitern Bei fr heren Ger ten konnte der Reststrom von einigen mA z B beim Anschluss an elektronische Steuerungen zu unsicheren Schaltzust n den f hren Bei neueren Ger ten speziell den quadronorm Ger ten ist es gelungen den Reststrom auf typischerweise 0 4 bis 0 6 mA zu redu zieren Wegen des betr chtlich geringeren Verdrahtungsaufwands sind die aktuellen 2 Leiter eine kosteng nstige Alternative zu den 3 Leitern wenn nicht ohnehin ein System wie z B AS Interface verwendet wird Reihen und Parallelschaltung Beim aktuellen Stand der Technik werden elektronische Positionssensoren direkt auf SPS Eing nge gef hrt und durch die Programmlogik verkn pft Daher ist dieser Punkt heute kaum noch von Bedeutung Falls es aber nicht zu umgehen ist m ssen Besonderheiten beachtet werden siehe Schulungsunterlagen Anschlusstechn
72. nsoren 63
73. nsoren und F llstandsensoren 33 warum Ber hrung Medium Wasser gt 40 C Befestigung Besondere Einbaubedingungen ifm electronic Das unterste Segment wird immer als Referenz genommen Wenn schon bei diesem kein Medium vorhanden ist nur Luft dann findet der Sensor kein Segment mit geringerer Kapazit t Die Anzeige eines F llstands ist dann nicht m glich Bei krassen Wechseln der Umgebungsbedingungen kann der Abgleich misslingen Das gilt auch f r den folgenden Punkt Wird der aktive Bereich w hrend des Betriebs ber hrt z B mit der Hand oder einem geerdeten Schraubendreher dann wird zur Sicherheit ein Re set kurze Trennung vom Netz empfohlen Der Sensor ist sehr stabil gegen Verschmutzung Dennoch gibt es auch f r dieses Messverfahren Grenzen Ungeeignete Medien sind gut leitende oder stark anhaftende Medien Shampoo Zahnpasta Kleb stoffe usw trockene Granulate mit geringer Dichte stark inhomogene Medien mehrere cm Wasser unter mehreren cm l ein d nner lfilm st rt nicht 2 5 3 Montagehinweise Bei Einsatz in Wasser und wasser hnlichen Medien mit Temperatur gt 40 C wird der Einbau in ein Klimarohr empfohlen siehe Zubeh r Befestigen Sie Montageelemente m glichst innerhalb des inaktiven Be reichs l Montagebereich M1 Der aktive Bereich A sollte frei in den Be h lter ragen siehe Abbildung 24 F r optimale Funktion wird empfohlen Ein Teil des aktiven Bereichs sollte
74. nspricht ist dazu ein Schwimmerk rper aus Metall erforderlich Dieser nimmt dann die Position der Oberfl che ein Es gibt am Markt diverse Systeme mit Schwimmerkugeln oder Schwim merbirnen Damit sie zuverl ssig erfasst werden k nnen m ssen sie me chanisch gef hrt werden Das macht den Aufbau recht aufwendig Sollen z B mehrere Grenzf llst nde berwacht werden m ssen auch mehrere Schwimmerk rper eingesetzt werden Die Erzeugung analoger Signale ist m glich aber mechanisch noch aufwendiger Alternativ werden auch Reed Schalter eingesetzt In der Funktion als Grenzwertgeber werden teilweise auch noch mechanische Mikroschalter verwendet die z B ber einen Hebel bet tigt werden Besonders auf die se L sung treffen die meisten Argumente zu die z B in den Schulungsunterlagen induktive Sensoren zum Vorteil des elektronischen Sensors aufgef hrt wurden Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 13 Auftrieb Druck ifm electronic Abbildung 6 Schwimmerkugel und Schwimmerschalter Egal wie auch das Signal aufgenommen wird sind diese Vorrichtungen besonders anf llig gegen Verschmutzung Die Montage ist aufwendig und kostspielig Eine gro e Typenvielfalt erschwert die Auswahl Dieses Prinzip wird auch als Verdr ngermethode bezeichnet Dazu wird meist ein spezifisch schwererer Zylinder in das Medium geh ngt Je nach F llh he wird die Kraft an der Aufh ngung durch den Auftrieb reduziert Im Prinzip sind da
75. on bedeuten wenn das zu erfassende Objekt zwischen die Platten eines Kondensators passen m sste Hier wird umgekehrt gerade das aus tretende Streufeld genutzt F r eine optimale Ausrichtung dieses Felds wird der Plattenkondensator deformiert Als ersten Schritt kann man sich vorstellen dass die Fl che der einen Plat te hier auch als Elektrode bezeichnet vergr ert wird Stellt man sich weiter vor dass diese Platte zu einer Becherform gebogen und die andere Platte vor die ffnung des Bechers gesetzt wird dann hat man schon den kapazitiven Elementarsensor Auch dieses Gebilde stellt einen Kondensa tor dar Als weitere Komponente kommt hier noch eine ringf rmige Kom pensationselektrode dazu die dazu dient Umgebungseinfl sse zu kom pensieren Die folgenden Grafiken zeigen die Anordnung der Platten Elektroden bei der sich ein Streufeld zwischen der aktiven hei en Elektrode und der Masseelektrode in den Raum hinein aufbaut Abbildung 12 Feld beim becherf rmigen Kondensator Gelangt Material in das nach vorn austretende elektrische Feld so ndert sich die Kapazit t des Kondensators Es gen gt dabei wenn es sich vor dem Becher befindet Der kapazitive Sensor hat also eine aktive Fl che hnlich wie der induktive siehe Schulungsunterlagen induktive Sensoren 1 Kompensationselektrode 2 Geh use Abbildung 13 Feld bei kapazitirem Sensor Die Gr e der Kapazit ts nderung h ngt von einer Reihe von Faktoren
76. onsprinzip des kapazitiven Sensors ist es schwieriger als beim induktiven Ger te zu entwickeln die b ndig eingebaut werden k n nen und au erdem eine gute St rfestigkeit aufweisen Bei der neueren Generation vom Typ KN in der zylindrischen Gewindebau form konnte das realisiert werden Die Ger te sind daran zu erkennen dass das Metallgewinde M 30 x 1 5 bis zur aktiven Stirnfl che reicht Beim nicht b ndig einbaubaren Typ endet es 15 mm vorher Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 28 Vorbed mpfung ifm electronic 57 H A aktive Fl che Abbildung 18 f und nf 1 Freiraum Abbildung 19 Freiraum nf A E Wenn es sich gar nicht vermeiden l sst dass ein Objekt in der Umgebung des Sensors diesen beeinflusst dann spricht man von Vorbed mpfung Dieser Begriff wird in 2 3 1 erl utert 2 4 2 Gegenseitige Beeinflussung Sollen an eine Anlage mehrere Sensoren gleichen Typs nahe beieinander betrieben werden so sind ebenfalls bestimmte Mindestabst nde zwischen den Ger ten einzuhalten Auch hier sollten die in der folgenden Abbildung angegebenen Mindestabst nde eingehalten werden Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 29 Bewegungsrichtung ifm electronic A aktive Fl che d Durchmesser des Sensors Abbildung 20 Freir ume gegenseitige Beeinflussung 2 4 3 Mechanische Festigkeit Besonders in vibrationsreicher Umgebung muss auf sorgf ltige Befe
77. oren 22 Bedeutung Arbeitsschaltabstand Faustregel Wiederholgenauigkeit Vorbed mpfung Kompensation ifm electronic Bei der Anwendung von kapazitiven Sensoren stellt sich in der Regel die Frage wie wird der Sensor an die konkrete Aufgabenstellung angepasst Der Schaltabstand hat hier nicht die Bedeutung wie beim induktiven Typ Deshalb wird nur kurz auf diesen Begriff eingegangen Eine ausf hrlichere Erl uterung ist in der Beschreibung der induktiven Sensoren siehe Schulungsunterlagen induktive Sensoren zu finden Sinn gem l sst sich das meiste auf den kapazitiven bertragen Nat rlich wird auch bei der Auslegung der Schaltung und beim Ferti gungsprozess des kapazitiven Sensors viel Sorgfalt darauf verwendet dass die zul ssigen Toleranzen 10 Exemplarstreuung und 10 durch Umwelteinfl sse nicht nur eingehalten sondern unterboten werden Besonders bei der Festigkeit gegen hochfrequente St reinfl sse konnten bedeutende Fortschritte erzielt werden siehe 2 2 2 F r den Anwender wichtig und interessant ist hierbei die Untergrenze also 0 81 sn Bei diesem Abstand dem gesicherten Schaltabstand su muss jeder Sensor sicher funktionieren Die obere Grenze das 1 21 fache des Nennschaltabstandes ist auch von Bedeutung z B um St rungen durch weiter entfernte Gegenst nde zu vermeiden Als Faustregel hat sich bew hrt dass der Abstand des Objekts gut detek tierbares Material mit ausreichender Fl
78. plant ber die genaue Wirkungsweise die entsprechen den Einsatzgebiete Artikelnummern Liefertermine und Preise sollten Sie sich informieren siehe oben Mit Einf hrung des Klimarohres erweitert sich der Einsatzbereich des LK auf Wasser und wasserbasierende Medien in einem Temperaturbereich von 0 70 C 3 6 Zulassungen Speziell f r F llstandsensoren ist der Einsatz als berlaufsicherung nahe liegend Daf r ist aber eine bestimmten Zulassung erforderlich Die Be zeichnung f r ein solches Ger t ist Grenzschalter mit Zulassung gem Wasserhaushaltgesetz WHG 819 LI2 Diese Zulassung wird vom Deut schen Institut f r Bautechnik erteilt Zum aktuellen Stand ob das Zulassungsverfahren eingeleitet wurde l uft oder abgeschlossen ist sollte bei www ifm com nachgefragt werden Damit ist die Beschreibung der Bauformen LI und LK abgeschlossen Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 50 Verweis Wichtig KX ifm electronic 3 7 Schalter mit speziellen Eigenschaften Im Folgenden geht es um die bin ren kapazitiven Sensoren 3 7 1 Einsatz in explosionsgef hrdeten Bereichen Da dieses Thema ebenfalls wie auch z B die CE Kennzeichnung siehe vielen bin ren Positionssensoren gemeinsam und dar ber hinaus auch f r Fluidsensoren wichtig ist wird es ebenfalls separat behandelt siehe Dort werden die einschl gigen Begriffe Bezeichnungen insbesondere die Kennzeichnung der Ger te Normen usw ausf hrlic
79. ppelt werden Hier konnte durch versetzte Frequenzen Abhilfe geschaffen werden Dazu kommen hochfrequente St rungen die ber das Netz eingekoppelt wer den und die haupts chlich von Frequenzumrichtern verursacht werden Das hat dazu gef hrt dass dieses Prinzip bei den aktuellen Ger ten nicht mehr verwendet wird Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 19 Einstellung aktuell feste Frequenz ifm electronic Abbildung 14 fr here Schaltung schematisch Schutzbeschaltung GEBE VEEE TERESET EIEE T St r Abbildung 15 fr here Schaltung als Blockschaltbild Aus Abbildung 15 erkennt man dass anders als beim induktiven Sensor die Empfindlichkeit in der Regel einstellbar ist Diese Eigenschaft ist geblieben nur werden jetzt auch moderne Techniken ohne Potentiometer verwendet siehe 3 4 Bei der heutigen Generation haben sich zwei Dinge ge ndert Funktionsprinzip der Schaltung und Auswertung der Kapazit t Die Auswertung wird heute ber einen Mikroprozessor gesteuert dadurch konnte auf das Potentiometer verzichtet werden welches den mechani schen Aufbau aufwendig machte um Dichtigkeit zu erreichen Der zweite Vorteil liegt darin dass die Einstellung auf Tastendruck oder durch einen Impuls auf der Programmierleitung vollautomatisch auf den optimalen Schaltpunkt erfolgt siehe 3 4 Verlauf der Kapazit t des Kondensators hnlich wie beim induktiven Sensor ist der
80. r anderen Applikation allein durch das Wissen ber die Funktion und die Eigenschaften von ka pazitiven Sensoren die eine oder andere Probleml sung Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 55 ifm electronic 4 2 Beispiele efector Sefector Abbildung 41 F llstands berwachung 1 Zwei kapazitive Sensoren als F llstandsmelder in einem Getreidesilo Kon trolliert werden die minimale und die maximale F llh he Abbildung 42 Glasplatten Ein kapazitiver Sensor erfasst Glasplatten auf einem Rollgang Abbildung 43 F llstands berwachung Durch die Beh lterwand aus PVC hindurch erkennen die beiden kapaziti ven Sensoren den F llstand im Fl ssigkeitsbeh lter Die Signale werden direkt zur Steuerung eines Ventils eingesetzt Abbildung 44 F llstand 3 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 56 Pluspunkte ifm electronic Kapazitive efectoren erfassen und berwachen den minimalen und maxi malen F llstand eines Mahlstuhles in einer M hle Die efectoren sind so eingestellt dass sie nur auf das Mahlgut ansprechen nicht auf die Beh l terwand Abbildung 45 F llstand mit KX Wenn ein Sensor wie in Abbildung 45 in einem Getreidesilo eingesetzt wird befindet er sich in einem explosionsgef hrdeten Bereich siehe 3 7 1 Wenn die entsprechenden Bedingungen vorliegen siehe ist die Verwendung der Bauform KX erforderlich 5 Anhang 5 1 Pluspunkte In der Reg
81. r der Verstellschraube gerichtet werden weil eine ffnung im Geh use erforderlich ist Es gab auch einmal den Ansatz die Empfindlichkeit nicht elektrisch ber ein Potentiometer einzustellen son dern mechanisch ber das Verschieben einer Elektrode Dieser Ansatz wurde inzwischen wieder aufgegeben Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 37 KN Anschluss Steckerger te Lebensmittelindustrie Drehmoment Geh usewerkstoffe ifm electronic Bei diesen neueren Typen entf llt das Potentiometer Hier stellt sich der Sensor automatisch auf den optimalen Schaltpunkt ein Z B bei der Er fassung eines Mediums durch eine Wand hindurch soll die Wand nicht wohl aber das Medium zuverl ssig erkannt werden Der Abgleich wird beider Bauform KNM ber eine Folientaste siehe Abbildung 27 bei der Bauform KNQ ber einen induktiven Sensor vorge nommen siehe ifm im Internet Bei diesem Ger t muss die aktive Fl che des induktiven Sensors z B mit einem Schraubendreher ber hrt werden um den Abgleich zu bewirken Abbildung 27 Bauform KN Der innere Aufbau ist hnlich wie bei Abbildung 26 Ein wesentlicher Un terschied besteht darin dass die Programmiertaste deren Position in Abbildung 27 mit einem Pfeil markiert wurde das Potentiometer ersetzt Den Ablauf der Einstellung zeigt Abbildung 31 Bei der Anschlusstechnik gibt es kaum wesentliche nderungen Im Laufe der Zeit verschieben sich nur die Gewichte Weil be
82. rden dass dieser Einfluss kompensiert wird Das Vorgehen dabei wird in 3 4 beschrieben Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 23 ist das gewollt seitliche Ann herung muss man noch mehr wissen Kantenl nge Faustregel Formfaktor Material ifm electronic 2 3 2 Hysterese Hysterese ist die Differenz zwischen dem Abstand bei dem der Ausgang schaltet wenn sich das Objekt n hert und dem Abstand in dem der Aus gang wieder zur ckschaltet wenn sich das Objekt wieder entfernt Wenn sich ein Objekt genau im Schaltpunkt befindet best nde die M glichkeit dass der Schaltausgang st ndig zwischen den beiden Zust nden EIN und AUS hin und her pendelt Dies wird durch eine eindeutig definierte Hysterese verhindert die elektro nisch erzeugt wird Durch einen schaltungstechnisch eingebauten Unter schied zwischen Ein und Ausschaltpunkt ergibt sich ein Bereich von meh reren Millimetern Hub um den das zu detektierende Objekt sich bewegen muss damit der Sensor sicher ein und ausschaltet Die Hysterese ist auch bei anderen Sensoren z B f r Druck und Tempe ratur von Bedeutung Hier ist es von Vorteil wenn die Hysterese frei ein stellbar ist weil damit einfache Regelfunktionen realisiert werden k nnen Wird der Gegenstand nicht axial sondern radial also von der Seite auf den Sensor zugef hrt dann h ngt der genaue Ein bzw Ausschaltpunkt von der Form des elektrischen Streufeldes ab 2 3 3 Korrekt
83. rf llt eine hnliche Funktion wie die Montagehilfe bei induk tiven Sensoren siehe Schulungsunterlagen induktive Sensoren Die rote LED zeigt keine Ger test rung an sondern dass sich das interne Sen sorsignal in der N he der Schaltschwelle befindet Dabei sind 2 F lle zu unterscheiden Normaler Betrieb Sicheres Funktionieren Die rote LED leuchtet w hrend des Wechselns zwischen Objekt vor handen und Objekt nicht vorhanden vor bergehend auf Warnung vor m glicher Fehlfunktion Leuchtet die rote LED konstant sind die Arbeitsbedingungen nicht mehr optimal Z B kann eine durch Schmutzablagerungen verursachte Schaltabstandsverschiebung erkannt werden Sie k nnen Gegenma nahmen ergreifen bevor es zu einer Fehlfunktion kommt F hren Sie in z B einen erneuten Abgleich durch oder reinigen Sie das Ger t Bei optoelektronischen Sensoren ist bei manchen Typen ein weiterer Schaltausgang herausgef hrt um einen unsicheren Schaltzustand zu mel den Das wird auch als Vorausfallmeldung bezeichnet und kann z B dazu verwendet werden eine Verschmutzung zu beseitigen bevor St rungen auftreten Bei kapazitiven Sensoren w re diese Option auch denkbar wurde aber bisher nicht realisiert Dagegen spricht z B der zus tzliche Aufwand wenn pro Sensor zwei Ausg nge mit der Steuerung verbunden werden m ssen Deshalb wird bei diesen Sensoren der unsichere Schaltzustand nur ber die LED im Sinne einer Montagehilfe angezeigt Kap
84. rinnert werden Die kleinsten Bestandteile sind Ato me hier soll nicht weiter gefragt werden woraus diese bestehen Diese kommen aber nur in Edelgasen isoliert vor normalerweise schlie en sie sich zu Molek len zusammen Betrachtet man etwas genauer diese Struktur dann stellt man fest dass es Materialien gibt in deren Molek len die Ladungen nicht v llig symmetrisch verteilt sind Ein bekanntes Beispiel daf r ist Wasser Ein Wassermolek l ist zwar elektrisch neutral Man kann sich aber vorstel len dass z B die linke Seite leicht positiv und die rechte Seite leicht negativ ist Dieser Umstand ist die Ursache f r einige Eigenschaften des Wassers z B die gute L slichkeit von Salzen Das ist normalerweise kaum zu bemerken weil die Wassermolek le v llig unregelm ig ausgerichtet sind Bringt man sie jedoch in ein elektrisches Feld z B zwischen die Platten eines Kondensators dann richten sie sich aus Die positive Seite wird zu negativen Platte entsprechen die negative Seite zur positiven Platte weisen Bringt man aber ein Material das nicht von sich aus polarisiert ist in ein elektrisches Feld dann kann dieses die Ladungen etwas auseinander zie hen Auch wenn vorher die Ladungsverteilung symmetrisch war tritt im e lektrischen Feld eine Polarisierung auf Hat das auch eine praktische Bedeutung Gerade im Zusammenhang mit Kondensatoren ergibt sich daraus eine wichtige Konsequenz Egal ob sich die Ladungen ausrichte
85. rrent oder Allstrom Ger te Diese k nnen in den an gegebenen Grenzen an Gleich oder Wechselstrom angeschlossen wer den Die Abbildung ist zurzeit in Arbeit Der kennzeichnet Ger te mit Kurzschlussschutz Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 41 quadronorm ifm electronic Man erkennt dass die Strombelastbarkeit bei Halbleiterausg ngen bau formabh ngig zwischen ca 100 400 mA liegt Inzwischen hat sich die Nennspannung von 24 V DC als Steuerspannung weitgehend durchgesetzt Andere Spannungen werden noch in speziellen oder L ndern verwendet Im Folgenden wird ein Beispiel f r Anschluss schemata f r DC Ger te gezeigt 2 1 D L DI L ee _ Abbildung 28 Anschlu schema1 1 3 D L 2 4 nschlu schema rogrammmierleitung 4 JE 2 4 2 IDE 3 u i u Abbildung 29 Anschlussschema KNQ Die Bauform KNQ verf gt ber einen Funktionskontrollausgang der bei unsicherem Schaltzustand ein Signal f hrt Das wird auch optisch ber die rote LED angezeigt siehe 3 4 Eine Besonderheit stellen die Quadronormger te dar siehe 3 7 2 Sie arbeiten in beiden Polarit ten 3 4 Einstellung des Schaltpunktes bin r Dieses Kapitel bezieht sich ebenfalls auf die bin ren kapazitiven Sensoren und F llstandsensoren Auch ein kapazitiver Sensor der nur Objekte erfassen soll und ansonsten nicht von Objekten oder Medien Verschmutzung Feuchtigkeit in seiner Umgebung beeinflus
86. s Die Vielzahl der Methoden zeigt auch dass die berwachung des F ll stands einen wichtige Aufgabe in der Prozesstechnik ist und dass darin ein betr chtliches Potential steckt Es wird allerdings auch nicht einen Sensor geben der f r alle Anwendungsf lle geeignet ist Auch der analoge F llstandsensor der ifm ist auf bestimmte Anwendungsf lle ausgelegt sie he 2 5 3 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 16 Kondensator ifm electronic 2 2 Technik und Funktionsprinzip Hier wird zun chst nur auf den bin ren Sensor eingegangen Der analoge F llstandsensor wird in 2 5 erkl rt 2 2 1 Elementarsensor kapazitiv SU AS Sl a TDs Oa A T we 1 2 3 4 5 1 Kompensationselektrode 2 Messelektrode 3 Gegenelektrode 4 Geh use 5 Elektrisches Feld Abbildung 10 Kapazitiver Sensor Im Folgenden soll der Sensor schrittweise aufgebaut werden vom Platten kondensator zum Sensor Beim Plattenkondensator ist das Feld auf den Bereich zwischen den Plat ten konzentriert Beim einfachen Kondensator wird der geringe Anteil des Streufeldes der nach au en austritt eher vernachl ssigt Abbildung 11 entspricht Abbildung 2 nur dass hier die Feldlinien siehe 1 2 einge zeichnet sind Abbildung 11 Feld des Plattenkondensators Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 17 Objekterfassung ifm electronic Bei einem Positionssensor w rde es aber eine starke Einschr nkung der Funkti
87. sch wiederholende Be und Entd mpfungsvorgang des Sensors gerade noch sicher in ein Schaltsignal umgewandelt wird Da die erreichbare Schaltfre quenz von einer Reihe von Einflussfaktoren abh ngt wird in der EN 60947 5 2 eine Norm Messanordnung definiert mit der Vergleichswerte gewonnen werden k nnen Im tats chlichen Einsatz sind vielfach erheblich h here Schaltfrequenzen m glich Wird der Sensor mit einer hohen induktiven Last Sch tz Relais Magnet ventile ber einen l ngeren Zeitraum und einer hohen Schaltfrequenz be trieben so m ssen zus tzliche Schutzma nahmen zum Abbau der Ab schalt berspannung vorgenommen werden z B Freilaufdioden Die Schaltverzugszeit ist die Zeit die vom Einbringen des Objekts in die aktive Zone bis zum Schalten des Ausganges vergeht Die Schaltverzugs zeiten beim Be und Entd mpfen k nnen erheblich voneinander abwei chen Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 61 Schlie erfunktion Spannungsfall Durchlassspannung Stromaufnahme bei 3 Leiter Ger ten Strombelastbarkeit Dauer Strombelastbarkeit Kurzzeit Temperaturgang Schaltpunktdrift berlastfestigkeit ifm electronic Bei ifm efectoren liegen diese Zeiten bauartenspezifisch in der Regel zwischen 0 2 und 1 ms f r das Bed mpfen und 1 bis 15 ms f r das Ent d mpfen Bei Ger ten mit F IC kann auch ein Verh ltnis von 1 1 f r diese beiden Zeiten erreicht werden Arbeitsstromprinzip befindet sich ein
88. sertropfen an der Wand h n gen Bei der Kontrolle des F llstands eines Mehlsilos kann es vorkommen dass Mehl z B durch elektrostatische Aufladung an der Wand haftet auch wenn der Silo leer ist Wenn der Leerabgleich zuvor auf die saubere Wand durchgef hrt wurde kann das zu Fehlschaltungen f hren Durch einen erneuten Leerabgleich l sst sich dann der Fehler beheben Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 26 ms Material des Objekts Bewegung des Objekts Form des Objekts ifm electronic 2 3 5 Schaltzeiten und Schaltfrequenz Die Zeit zwischen Eintreten des zu detektierenden Objekts in den Bereich des Streufeldes und Schalten des Ausgangssignals des Sensors liegt im Allgemeinen in der Gr enordnung von einigen Millisekunden Die Schalt frequenzen liegen zwischen 50 und 5 Hz Der niedrigere Wert gilt f r die bin ren F llstandsensoren mit Mikroprozessor Typ KN Bei deren typi scher Anwendung sind h here Frequenzen und damit k rzere Schaltzeiten wenig sinnvoll Dieser Punkt wird hier nicht weiter vertieft In den Schulungsunterlagen in duktive Sensoren sind Beispiele f r den optimalen Einsatz von induktiven Sensoren bei zeitkritischen Vorg ngen beschrieben Diese k nnen sinn gem auch auf kapazitive Sensoren bertragen werden falls diese An wendung einmal auftreten sollte Die Schaltzeit darf nicht mit der Bereitschaftsverz gerungszeit verwechselt werden diese ist erheblich gr er siehe 2
89. siehe 2 5 1 Zun chst soll der bin re Typ den es schon l nger gibt und der am h u figsten eingesetzt wird ausf hrlich beschrieben werden Im Folgenden 2 2 bis 2 5 geht es also um den Einsatz als bin rer Positionssensor Hier wird das Analogsignal nicht extern ausgewertet Zur besseren bersicht wird der analoge F llstandsensor in einem separaten Kapitel siehe 3 5 behandelt Der bin re kapazitive Sensor geh rt zur Gruppe der Positionssensoren Zu dieser Gruppe geh ren z B auch der optoelektronische oder der induktive Sensor Auswahlkriterien um den geeigneten Positionssensor zu ermitteln werden in den Unterlagen optoelektronische Sensoren Kriterien f r die Auswahl eines kapazitiven Sensors in den folgenden Kapiteln behandelt siehe z B 2 3 6 Eine andere Gruppe bilden z B die Fluidsensoren Diese Gruppen lassen sich nicht scharf trennen die berg nge sind flie end So werden z B kapazitive Sensoren mit bin rem Ausgang h ufig zur berwachung des F llstands von Fluiden eingesetzt Da es sich letztlich doch um eine Positi on handelt k nnen sie noch zu den Positionssensoren gez hlt werden Der bin re kapazitive Sensor l sst sich nicht nur zur Kontrolle des F ll stands von Fl ssigkeiten einsetzen Er wird auch h ufig bei Sch ttg tern wie Getreide oder Kunststoffgranulat eingesetzt Speziell in dieser Funktion als Positionssensor gibt es Gemeinsamkeiten mit dem induktiven Sensor Die Aussagen die in
90. sleitungen f hrt nicht zur Zerst rung der Ger te Ger te mit Kurzschlussschutz sind gleichzeitig berlastfest und verpo lungssicher Der Mindestlaststrom ist der kleinste Strom der im durchgeschalteten Zustand flie en muss um einen sicheren Betrieb des Sensors zu gew hr leisten Bei der Montage von induktiven Sensoren unterscheidet man zwischen b ndigem und nicht b ndigem Einbau Die aktive Schaltfl che kann b ndig abschlie end in ein Medium eingebaut werden Die aktive Schaltfl che muss von einem Freiraum umgeben sein Bei der Montage von Sensoren nebeneinander bzw gegen ber m ssen definierte bauformabh ngige Mindestabst nde eingehalten werden Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 60 NAMUR Nennschaltabstand Sn Nutzschaltabstand S ffnerfunktion Programmierung Realschaltabstand Sr Reststrom bei 2 Leiter Ger ten Schaltabstand Schaltfrequenz Schaltverzugszeit ifm electronic NAMUR ist die Abk rzung f r Normenarbeitsgemeinschaft f r Mess und Regeltechnik in der chemischen Industrie Unter NAMUR Schalter wird ei ne besondere Ausf hrung eines 2 Leiter Gleichspannungsschalters nach DIN 19 234 verstanden der f r den Einsatz in explosionsgef hrdeten Zo nen geeignet ist Aktuell gelten die ATEX Richtlinien siehe Der Nennschaltabstand ist eine Ger tekenngr e bei der Exemplarstreu ungen und Abweichungen oder u ere Einfl sse wie Temperatur und Spannung nicht ber
91. soren 47 LK8 ifm electronic Analogausgang 4 20 mA max 500 Q 0 10 V min 2000 Q Die verwendeten Begriffe sind in den Schulungsunterlagen Anschluss technik beschrieben Es folgen Beispiele f r Anschlussschemata zun chst die Pinbelegung 2 1 3 74 Abbildung 36 Pinbelegung LK Adernfarben bei ifm Kabeldosen 1 BN braun 1 BN 2 WH wei al 3 BU blau 2 WH 4 BK schwarz 4 BK 3 BU L Abbildung 37 Anschlussschema LK3 p schaltend LK7xxx n schaltend LKOxxx 1 BN 1 a gt 2 WH 4 BK ai BK ou zout 3 BU 2 0072 3BU i Adernfarben bei ifm Kabeldosen 1 BN braun 2 WH wei 3 BU blau 4 BK schwarz Abbildung 38 Anschlussschema LK7 Der LK8 hat vier Schaltausg nge Sie k nnen entweder als Ausg nge wie bei den anderen Typen verwendet werden oder als eine Art Ausgang eines AD Wandlers mit 4 Bit Aufl sung Weitere Informationen sind bei zu fin den 2 1 4 6 5 Abbildung 39 Pinbelegung LK8 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 48 gesicherter Einsatz ifm electronic Adernfarben bei ifm Kabeldosen 1 BN braun 2 WH wei 3 BU blau 4 BK schwarz 5 GY grau 6 PK rosa 7 VT violett 8 OG orange n c nicht belegt Abbildung 40 Anschlussschema LK8 Bei den folgenden Werten handelt es sich genau genommen nicht direkt um elektrische Daten Weil sie a
92. ssstrom ohne Schaden dauer haft f hren kann Umgebungstemperatur Temperaturbereich Verpolungsfestigkeit Vorbeifahrgeschwindigkeit Der Temperaturbereich gibt an bei welchen Temperaturen Sensoren ein gesetzt werden k nnen Dies ist bei ifm efectoren in der Regel der Be reich von 25 C bis 80 C Wenn die Anschl sse eines Sensors beliebig vertauscht an die vorgese henen Klemmen angeschlossen werden k nnen ohne dass der Schalter dabei Schaden nimmt wird er verpolungsfest genannt In der Regel m s sen verpolungssichere Schalter in Dreileitertechnik kurzschlussfest sein da eine Vertauschung des Ausganges und des Masseanschlusses 0 V sonst zur Zerst rung f hren w rde Denkt man sich das Be und Entd mpfen des Sensors durch eine einzelne Messplatte hervorgerufen die mit hoher Geschwindigkeit durch die aktive Zone bewegt wird so gibt es eine obere Grenze der Vorbeifahrgeschwin digkeit bei der gerade noch ein sicheres Schaltsignal ausgegeben wird Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 62 ifm electronic Wiederholungsgenauigkeit Auch Reproduzierbarkeit Das ist die Differenz zweier Schaltabstandsmes sungen die unter genormten Bedingungen ber eine Dauer von 8 Stunden durchgef hrt werden Sie wird in Prozent bezogen auf den Realschaltab stand angegeben Die Differenz zweier beliebiger Messungen darf 10 des Realschaltabstandes nicht berschreiten ENDE Kapazitive Sensoren und F llstandse
93. st wird braucht nicht unbedingt eingestellt zu werden Eine Einstellung ist aber in der Regel bei der h ufigen Anwendung der Er kennung eines Mediums durch eine nicht metallische Wand hindurch er forderlich siehe 2 3 4 Bei der fr heren Generation geschah das ber das Potentiometer die Empfindlichkeit wurde soweit verstellt bis der Sensor gerade auf die Wand ansprach die Empfindlichkeit wurde soweit zur ckgenommen dass die Wand selbst bei anhaftendem Medium nicht mehr erkannt wurde es musste gepr ft werden ob der Sensor nun zuverl ssig auf das Me dium anspricht Ob die Einstellung optimal oder unsicher war lie sich nicht feststellen schon auf Grund der Nichtlinearit t des Signals siehe Abbildung 16 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 42 rote LED AS i ifm electronic Abbildung 30 Leerabgleich Bei den bin ren F llstandsensoren ist die Einstellung erheblich sicherer und komfortabler Im Internet l sst sich die Einstellung der Bauform KNQ simulieren Es wird empfohlen das dort auszuprobieren Der Leerabgleich beim KN wird in Abbildung 31 beschrieben Abbildung 31 Leerabgleich beim KN In den meisten F llen gen gt der Leerabgleich Dieser l sst sich auch ber eine Steuerung ber die Programmierleitung siehe 3 3 2 vornehmen In kritischen F llen ist ein zus tzlicher Vollabgleich m glich der auch ber die Taste vorgenommen wird siehe Betriebsanleitung Die rote LED e
94. sti gung des Sensors geachtet werden Obgleich viele Gewindebauformen wie Bolzen aussehen sind die Anzugsmomente f r die Muttern begrenzt Es sollten ausschlie lich die vom Hersteller mitgelieferten bzw empfohle nen Befestigungselemente verwendet werden Dies gilt insbesondere f r Ger te mit glatter H lse wo beispielsweise eine Fixierung mit einer Ma denschraube keinesfalls zul ssig ist Wenn das nach Herstellerangaben erlaubte Anzugsmoment f r die Mut tern nicht ausreichend erscheint k nnen Metallgewindeger te eingesetzt werden Bei kleinen Ger tebauformen mit Kunststoffgewinde wird zur Ver besserung der Befestigung der Einsatz von Gummiunterlegscheiben emp fohlen Sensoren sollten an Orten angebracht werden wo sie vor mechanischer Besch digung m glichst gesch tzt sind Gegebenenfalls k nnen sie ab gedeckt werden so eignen sich Glas oder Keramikplatten um die aktive Fl che beispielsweise vor scharfkantigen oder hei en Sp nen zu sch t zen Dabei muss gepr ft werden ob deren Einfluss kompensiert werden kann Die serienm ige Anschlussleitung von Sensoren ist nur f r leichte me chanische Beanspruchung geeignet Falls die Einsatzumgebung eine st r kere Leitung erfordert ist ein Schutzschlauch zur Verst rkung notwendig Alternativ kann ein Ger t mit Anschlussraum eingesetzt werden Die An schlussleitung muss so verlegt werden dass sie keine Kr fte auf das Ge h use bertragen kann Wenn die Anschlusslei
95. t oben Befestigungsschelle optimal im oberen inaktiven Bereich auch im akti ven Bereich m glich nur nicht im unteren Drittel Maximaler Beh lterdruck bei Einbau mit ifm Montagezubeh r 0 5 bar Kurzzeitig bis 1 Minute ist ein berdruck von 3 bar m glich Werkstoffe des Geh uses Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 44 Vibrationsfestigkeit MMI Transfer wo finde ich mehr ifm electronic EPDM X Santoprene FPM Viton Messing optalloybeschichtet NBR Buna N PA PBTP Pocan PC Macrolon PP Polypropylen Werkstoffe in Kontakt mit dem Medium PP Polypropylen Der Einsatz anderer Materialien z B PTFE oder Glas die im Kontakt mit dem Medium stehen ist denkbar erfordert aber noch Untersuchungen St ndige Vibrationen mit hoher Amplitude belasten speziell bei langem Messstab die Verbindung zwischen Messstab und Auswerteeinheit Um solchen extremen Belastungen besser standhalten zu k nnen wurde die Konstruktion dieser Verbindung inzwischen ge ndert Die Vibrations und Schockfestigkeit nach Norm sind im Datenblatt oder der Betriebsanleitung zu finden 3 5 2 Display Das Ger t ist ausgestattet mit einem dreistelligen LED Display sowie zus tzlichen LEDs zur Anzeige des Schaltzustands und zwei Programmiiertasten Wer schon einmal andere Fluidsensoren der ifm programmiert hat z B Druck oder Temperatur siehe Schulungsunterlagen Drucksensoren oder Schulungsunterlagen Temperat
96. trennen Die Kapazit t ist gr er Je gr er die Fl che der Platten ist desto besser k nnen sich die Ladungen darauf verteilen Es wird weniger Arbeit ben tigt um zus tzliche Ladungen aufzubringen Die Kapazit t ist ebenfalls gr er Die Formel lautet a d C amp C 1 F 1 Farad elektrische Kapazit t eo 8 8541 10 F m elektrische Feld konstante A 1 m Fl che einer Platte d 1 m Abstand der Platten Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 8 Verweis Polarisierung 3 ifm electronic Abbildung 2 Plattenkondensator Die beiden Grundbegriffe elektrisches Feld bzw elektrische Spannung sind auch im Zusammenhang mit der EMV Problematik wichtig siehe Schulungsunterlagen CE Kennzeichnung 1 3 Dielektrizit tskonstante Dieser Begriff steht f r eine Materialeigenschaft die charakteristisch f r das Verhalten im elektrischen Feld ist Diese Eigenschaft macht sich z B bemerkbar wenn Material zwischen die Platten eines Kondensators ge bracht wird siehe 1 2 Damit ist hier nichtleitendes Material gemeint sonst g be es einen Kurzschluss zwischen den Platten siehe unten Den Hintergrund kann man sich mit folgendem Begriff klarmachen Wie oben erw hnt ist Materie die aus Elementarteilchen wie Elektronen besteht elektrisch neutral Die elektrischen Ladungen die an die Elemen tarteilchen gebunden sind gleichen sich aus Hier muss noch kurz an die Struktur der Materie e
97. tung bergegan gen Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 32 100 300 mm s Dielektrizit tskonstante gt 2 Link Wechsel des Mediums warum Inbetriebnahme bei berf llung warum Unterf llung ifm electronic Die maximale Geschwindigkeit der nderung der F llh he die so erfasst werden kann betr gt je nach Bauform 100 300 mm s Die relative Dielektrizit tskonstante des Mediums siehe 1 3 sollte min destens 2 betragen 2 5 2 Praktischer Einsatz In 2 5 1 wurde das Funktionsprinzip beschrieben Damit lassen sich die fol genden Hinweise auch die Montagehinweise siehe 2 5 3 besser verste hen Wenn die Zeit dr ngt k nnen diese Hinweise auch einfach in Art ei nes Kochbuchs verwendet werden Kurze Begr ndungen zu den Hinweisen werden kursiv eingef gt Sie k nnen gegebenenfalls ber sprungen werden Hinweise die sich spezifisch auf die aktuellen Ger te beziehen sind in 3 5 5 zu finden Hier folgen Hinweise die sich aus dem allgemeinen Funk tionsprinzip ergeben Der Sensor stimmt sich automatisch bei jedem Messzyklus auf das Medi um ab Damit ist er unempfindlich gegen Ver nderungen der Eigenschaf ten des Mediums Bei einem abrupten Wechsel des Mediums wird jedoch empfohlen den Sensor kurz vom Netz zu trennen Reset damit er sich neu initialisieren kann Wenn der Sensor sich z B auf Wasser mit s 81 abgestimmt hat und wird dann in ein Medium getaucht mit s
98. tung st ndig bewegt wer den muss wird ebenfalls das Anbringen eines Schutzschlauches empfohlen siehe dazu folgende Abbildung Die obere Art der Montage ist nicht zu empfehlen da hier die Gefahr der mechanischen Zerst rung besteht Der Schalter sollte keinesfalls als End anschlag verwendet werden Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 30 Elementarsensor Gegenelektrode aktiver Bereich ifm electronic Abbildung 21 Bewegungsrichtung 2 5 Analoge F llstandsensoren Mit analog ist hier das erweiterte Funktionsprinzip gemeint Wie unten be schrieben wird gibt es auch Ger te mit bin ren Ausg ngen als Grenz standsmelder 2 5 1 Technik und Funktionsprinzip Der Elementarsensor besteht hier aus einer Reihe von rechteckigen Seg menten in Form von Metallfolien die auf einen flexiblen Leiterfilm aufge bracht werden Dieser wird zu einem Zylinder gebogen und an einem Stab befestigt Jedes Segment ist separat mit der Auswerteeinheit verbunden I I Abbildung 22 Segmente beim F llstandssensor Das erm glicht die Bestimmung der Kapazit t jedes einzelnen Segments Jedes Segment stellt dabei eine Elektrode eines Kondensators dar Die Gegenelektrode ist nicht wie bei den oben beschriebenen Ger ten Teil des Sensors Diese Funktion wird z B von der metallischen Wand des Gef es bernommen in das der Sensor eintaucht Beim Einsatz in Kunststoffgef en muss z B ein geerdeter Metallstreifen
99. urfaktoren In der Praxis hat man es eher selten mit einer geerdeten Metallfl che sie he 2 3 1 als Objekt zu tun Die Objekte k nnen gr er kleiner unregel m ig geformt sein und aus verschiedenen Materialien bestehen Der Nennschaltabstand ist dann mit Korrekturfaktoren zu multiplizieren um den tats chlichen Schaltabstand zu ermitteln Das bedeutet praktisch eine Ma stabs nderung Die Toleranzen der Norm z B 10 bei Temperatur nderungen bleiben dabei erhalten Auch bei der Hysteresekurve ndern sich die Ma e entsprechend Wie diese Faktoren zu ermitteln sind wird im Folgenden beschrieben Wird eine kleinere oder nicht quadratische Platte eingesetzt so muss der Schaltabstand mit einem Faktor korrigiert werden Wie beim induktiven Sensor ergeben sich geringere Schaltabst nde f r kleinere Objekte und ein praktisch konstanter Schaltabstand bei gr erer Kantenl nge Man kann als weitere Faustregel aufstellen dass der Schaltabstand dem Nennschaltabstand entspricht wenn das Objekt nicht kleiner ist als die ak tive Fl che des Sensors siehe 2 2 1 Erst bei wesentlich kleineren Ab messungen liegt die Grenze bei der Objekte nicht mehr erkannt werden Bei anderen Formen z B wenn Zylinder erfasst werden sollen l sst sich der Faktor nicht mehr allgemein angeben Bei Kugeln wird der Schaltab stand etwas reduziert werden Der Wert h ngt jedoch vom Radius der Ku gel ab Bei noch unregelm iger geformten Objekten
100. ursensoren der wird feststellen dass die Programmierung dieser Ger te immer nach dem gleichen Schema abl uft Nat rlich gibt es Besonderheiten was die Messgr e die Einheit den Wertebereich usw betreffen Trotzdem kann man fast sagen wer eines kennt der kennt alle Daher muss auf die Programmierung hier nicht sehr ausf hrlich eingegangen werden Die ausf hrlichen Anleitungen sind im pdf Format im Internet Erinnerung zur Homepage kommt man ber www ifm com zu finden wenn auf die Bestellnummer des entsprechenden Ger ts geklickt wird Es ffnet sich zun chst das Datenblatt Durch einen Klick auf weitere Informationen ge langt man schlie lich zur Bedienungsanleitung Dieser wurden auch die folgenden Abbildungen entnommen zn al lz I Mode Enter Set NO Anzeige des F llstands LED Display Anzeige der Parameter und Parameterwerte O LED rot Anzeige des Schaltzustands leuchtet wenn der Schaltausgang durchgeschaltet ist Einstelltaste Anwahi der Parameter und Men punkte Mode Enter Best tigen der Parameterwerte Einstelltaste Einstellen der Parameterwerte kontinuierlich durch Set Dauerdruck schrittweise durch Einzeldruck Abbildung 33 Display beim LK Das numerische Display zeigt Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 45 Ausg nge bersicht ifm electronic beim Einschalten die Initialisierungsphase
101. uss Weil kapazitive Sensoren auch h ufig zur Kontrolle der F llh he von Sch ttgut z B in Mehlsilos eingesetzt werden ist hier die Gefahr von Staubexplosionen ein wichtiges Thema Mehlstaub im richtigen Verh ltnis mit Luft gemischt ist ein sehr energiereiches explosives Gemisch F r diesen Einsatzfall bietet die ifm einen Sensor an Typ KX Hier folgt ein Auszug aus der technischen Dokumentation f r Anwender die es gewohnt sind mit dem Thema umzugehen Wer nicht damit vertraut ist muss auf die verwiesen Dort werden die Bezeichnungen ausf hrlicher erkl rt Einsatz in explosionsgef hrdeten Bereichen gem Klassifizierung Il 1D G Gruppe Il Kategorie 1D Betriebsmittel f r Staubatmosph re Gruppe Il Kategorie 1G Betriebsmittel f r Gasatmosph re Die Anforderungen der Normen EN50014 EN 50020 EN50281 1 1 EN50284 EN 60947 5 6 werden erf llt EG Baumusterpr fbescheinigung DMT 01 ATEX E020 ennzeichnung amp II 1G EEx ia IIB T6 CE 0158 I 1D IP65 T90 C Stand 09 02 Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 51 Reststrom Polarit t Schlie er ffner Adernfarbe bersicht ifm electronic 3 7 2 Quadronormger te Bei 2 Leiterger ten der fr heren Generationen konnte der Reststrom Wer te von einigen mA annehmen bei denen eine zuverl ssige Signalverarbei tung z B durch die Eing nge einer SPS nicht mehr gew hrleistet war Bei Halbleiterausg ngen f r Gle
102. w hrend der Bereit schaftsverz gerungszeit den F llstand beim Normalbetrieb Fehlermeldungen bei St rungen Parameter bei der Programmierung Hier werden zun chst Beispiele f r die Anzeigen ohne Bet tigung der Tas ten beschrieben Es gibt aktuell zwei Typen jeweils mit den drei L ngen des Messstabs die sich durch die Beschaltung der Ausg nge unterscheiden siehe 3 5 4 vier bin re Ausg nge 4 DO ein bin rer und ein analoger Ausgang 1 DO 1 AO Diese Abk rzungen DO f r digital output und AO f r analog output wer den im Folgenden verwendet Am Display ist die unterschiedliche Anzahl der LEDs zur Anzeige des Schaltzustands zu erkennen Abbildung 33 zeigt also ein Ger t mit 1 DO 1 AO 3 5 3 Programmierung Die Ger te mit unterschiedlicher Ausgangsbeschaltung unterscheiden sich nat rlich auch leicht durch die programmierbaren Parameter Die Programmierung l sst sich auch in einer Simulation bei der ifm im In ternet unter Virtuelle Produktbedienung selbst ausprobieren Eine bersicht zu den Men s und der Programmierung wird in folgenden Tabellen gezeigt Abbildung 34 Men beim LK Kapazitive Sensoren und F llstandsensoren 46 OFS bin Ablauf Internet DO digital output ifm electronic Dr cken Sie die Taste Mode Enter bis der gew nschte Parameter im Display erscheint raus Dr cken Sie die Taste Set und p BT t

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