Grundlagen zu Näherungssensoren: Ihre Auswahl und Verwendung in der industriellen Automatisierung

Viele Anwendungen in der Industrieautomation (IA) erfordern die Fähigkeit, die Anwesenheit und/oder die Position eines Objekts oder einer Person ohne physischen Kontakt zu erfassen, um die Bewegung des zu erfassenden Objekts nicht einzuschränken oder zu begrenzen. Der Näherungssensor ist für diese Aufgabe bestens geeignet. Näherungssensoren gibt es jedoch in vielen Varianten, einschließlich magnetischer, kapazitiver, induktiver und optischer Sensoren, und die Materialzusammensetzung des zu erfassenden Objekts kann die Fähigkeit eines Sensors, dessen Anwesenheit zu erkennen, beeinflussen.

Einige Näherungssensoren sind für die Erkennung von Eisenmetallen geeignet, während andere jede Art von Metall erkennen können, und wieder andere können jede Art von Objekt und sogar Personen erkennen. Potenzielle Anwender von Näherungssensoren in einer IA-Anwendung müssen sich der verschiedenen Arten von Näherungssensorik und ihrer Anwendbarkeit in bestimmten Erfassungssituationen bewusst sein.

In diesem Artikel werden verschiedene Sensortypen besprochen und Details zu den Arten von Objekten, die sie erfassen können, sowie zur räumlichen Empfindlichkeit der einzelnen Bauteiltypen gegeben. Als Beispiele werden Komponenten von Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. und Carlo Gavazzi Inc. verwendet.

Induktive Näherungssensoren

Induktive Näherungssensoren erkennen das Vorhandensein von leitfähigen (d. h. metallischen) Objekten und haben einen Erfassungsbereich, der von der Art des zu erfassenden Metalls abhängt. Diese Sensoren arbeiten mit einem hochfrequenten Magnetfeld, das von einer Spule in einem Schwingkreis erzeugt wird. In ein leitendes Messobjekt, das in das Magnetfeld des Sensors eintritt, wird ein Induktions- oder Wirbelstrom induziert, der ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das die Induktivität des induktiven Sensors effektiv reduziert.

Induktive Näherungssensoren arbeiten nach zwei Methoden. Bei der ersten Betriebsart erhöht sich bei Annäherung des Messobjekts an den Sensor der Induktionsstromfluss, wodurch die Belastung des Schwingkreises steigt und dessen Schwingung gedämpft oder gestoppt wird. Der Sensor erkennt diese Änderung des Schwingungszustandes mit einer Amplitudenerkennungsschaltung und gibt ein Erkennungssignal aus.

Ein alternatives Betriebsschema verwendet eine Änderung der Frequenz - und nicht der Amplitude - der Schwingung, die aus dem Vorhandensein eines leitenden Ziels resultiert. Ein sich dem Sensor näherndes Nichteisenmetall wie Aluminium oder Kupfer bewirkt eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz, während ein Eisenmetall wie Eisen oder Stahl zu einer Verringerung der Schwingungsfrequenz führt. Die Änderung der Schwingungsfrequenz relativ zu einer Referenzfrequenz bewirkt eine Änderung des Ausgangszustandes des Sensors.

Der LDC0851HDSGT von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen induktiven Näherungssensor für den Nahbereich, der die Veränderung der Frequenz nutzt, um die Anwesenheit eines leitfähigen Objekts innerhalb seines elektromagnetischen Feldes zu erkennen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der induktive Näherungssensor LDC0851HDSGT verwendet zwei induktive Spulen, eine Sensorspule und eine Referenzspule, um den Unterschied in der Induktivität aufgrund eines Zielobjekts in der Nähe der Sensorspule zu messen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der induktive Näherungsschalter LDC0851 ist ideal für berührungslose Näherungserkennungsanwendungen, wie z. B. Anwesenheitserkennung, Ereigniszählung und einfache Drucktaster, bei denen der Erfassungsbereich weniger als 10 Millimeter (mm) beträgt. Die Komponente ändert seinen Ausgangszustand, wenn sich ein leitfähiges Objekt in die Nähe der Erfassungsspule bewegt. Die differenzielle Implementierung (die Verwendung einer Sensor- und einer Referenzspule zur Bestimmung der relativen Induktivität des Systems) und die Hysterese werden verwendet, um ein zuverlässiges Schalten zu gewährleisten, das immun gegen mechanische Vibrationen, Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeitseinflüsse ist.

Die induktiven Messspulen des LDC0851HDSGT werden mit einem einzigen Sensorkondensator abgestimmt, der die Schwingungsfrequenz im Bereich von 3 bis 19 Megahertz (MHz) einstellt. Der Gegentaktausgang befindet sich im Low-Zustand, wenn die Sensorinduktivität unter der Referenzinduktivität liegt, und kehrt in den High-Zustand zurück, wenn das Gegenteil der Fall ist.

Magnetischer Näherungssensor

Magnetische Näherungsdetektoren werden zur Messung der Position und Geschwindigkeit von sich bewegenden Metallkomponenten verwendet. Dabei kann es sich um aktive Komponenten wie einen Hall-Effekt-Sensor oder um passive Komponenten wie einen Sensor mit variabler Reluktanz (VR) handeln, z. B. den Gewindemagnetsensor MP62TA00 von Red Lion Controls (Abbildung 2, links). Der VR-Näherungssensor misst Änderungen der magnetischen Reluktanz - analog zum elektrischen Widerstand in einem Stromkreis - und besteht aus einem Permanentmagneten, einem Polstück und einer Messspule, die in einem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen sind.

Abbildung 2: Der magnetische VR-Aufnehmer (links) ist ein passiver Sensor, der die Änderung des Magnetfeldes zwischen dem Polstück und dem Sensorgehäuse (rechts dargestellt) erfasst. (Bildquellen: Art Pini, mit Bild des MP62TA00 von Red Lion Controls)

Ein ferromagnetisches Objekt, das sich dicht am Polstück vorbeibewegt, verursacht eine Veränderung des Magnetfeldes. Diese Variation erzeugt wiederum eine Signalspannung in der Signalspule. Die Größe der Signalspannung ist abhängig von der Größe des Zielobjekts, seiner Geschwindigkeit und der Größe des Spalts zwischen dem Polstück und dem Objekt. Das Zielobjekt muss in Bewegung sein, um vom VRS erfasst zu werden. Der Gewindemagnetaufnehmer MP62TA00 ist ein epoxidvergossener VR-Näherungssensor mit einem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +107 °C. Er ist einen Zoll (25,4 Millimeter (mm)) lang und hat einen ¼ - 40 UNS-Gewindekörper.

VR-Sensoren sind passive Komponenten, sie benötigen also keine Stromquelle. Daher finden sie typischerweise Anwendung bei der Messung rotierender Maschinen. Zum Beispiel werden VR-Aufnehmer wie der MP62TA00 häufig verwendet, um vorbeilaufende Zähne an einem eisenhaltigen Zahnrad, Ritzel oder Zahnriemenrad zu erfassen. Sie können auch zur Erkennung von Schraubenköpfen, Keilnuten oder anderen sich schnell bewegenden metallischen Zielen verwendet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: VR-Sensoren werden häufig zur Erfassung von Verzahnungen, Nocken und Passfedernuten in rotierenden Maschinen eingesetzt. (Bildquelle: Red Lion Controls)

Sie werden als Tachometer zur Messung der Drehzahl eingesetzt und werden auch paarweise zur Messung der Exzentrizität einer rotierenden Welle verwendet.

Der zweite Typ von Magnetsensoren nutzt den Hall-Effekt, um das Vorhandensein eines Magnetfeldes zu erkennen. Der Hall-Effekt beschreibt die Wechselwirkung zwischen einem stromdurchflossenen Leiter und einem Magnetfeld senkrecht zur Leiterebene. Wenn ein stromdurchflossener Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird, wird eine Spannung (Hall-Spannung) senkrecht zum Strom und zum Feld erzeugt. Die Hallspannung ist proportional zur Flussdichte des Magnetfeldes und erfordert ein magnetisiertes Messobjekt.

Der 55100-3H-02-A von Littelfuse Inc. ist ein Hall-Effekt-Sensor zur Flanschmontage, der mit einem digitalen Ausgang oder einem programmierbaren analogen Spannungsausgang erhältlich ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Blockschaltbild und Foto des Hall-Effekt-Näherungssensors 55100-3H-02-A zur Flanschmontage mit einem Spannungsausgang. (Bildquelle: Littelfuse Inc.)

Der 55100-3H-02-A misst 25,5 x 11 x 3 mm und ist entweder mit einem Dreileiter-Spannungsausgang oder einem Zweileiter-Stromausgang erhältlich. Beide Versionen bieten mittlere (130 Gauß), hohe (59 Gauß) oder programmierbare Empfindlichkeit. Das Gerät verfügt über eine hohe Empfindlichkeit und hat mit einem spezifizierten Magneten eine Auslösereichweite von 18 mm (0,709 Zoll). Der Pulldown-Ausgang kann bis zu 24 Volt DC und 20 Milliampere (mA) aufnehmen.

Dieser Sensor kann mit Schaltraten von bis zu 10 Kilohertz (kHz) arbeiten und sowohl dynamische als auch statische Magnetfelder erfassen. Die Fähigkeit, statische Magnetfelder zu erkennen, ist ein großer Vorteil des Hall-Effekt-Sensors, da er verwendet werden kann, um eine geschlossene Tür oder ein Objekt in einer festen Position zu erkennen.

Optischer Näherungssensor

Optische Näherungssensoren verwenden Licht (infrarot oder sichtbar) um Objekte zu erfassen. Sie haben den Vorteil, dass ein Ziel nicht magnetisch oder metallisch sein muss - es muss nur Licht blockieren oder reflektieren. Im Grunde genommen senden optische Sensoren Licht aus und überwachen das vom Zielobjekt reflektierte Licht (Abbildung 5, links).

Abbildung 5: Der optische Näherungssensor ortet das Zielobjekt, indem er einen Lichtstrahl aussendet und das vom Zielobjekt reflektierte Licht erfasst. (Bildquelle: Art Pini)

Der EE-SY1200 von Omron Electronics Inc. ist ein gutes Beispiel für einen optischen Näherungssensor (Abbildung 5, rechts). Es handelt sich um einen ultrakompakten Fotosensor, der auf einer kleinen Leiterplatte montiert ist und bei einer Infrarot-Wellenlänge von 850 Nanometern (nm) arbeitet. Er besteht aus einem LED-Emitter und einem Fototransistor in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse mit Abmessungen von 1,9 x 3,2 x 1,1 mm und arbeitet in einem Temperaturbereich von -25 °C bis +85 °C. Der empfohlene Erfassungsbereich liegt zwischen 1,0 und 4,0 mm (0,039 bis 0,157 Zoll).

Durch seine geringe Größe bei der On-Board-Montage ist er ideal für Anwendungen wie das Ausrichten von metallisiertem Mylar-Material in einer automatischen Verpackungsmaschine.

Ultraschall-Näherungssensoren

Größere Anforderungen an den Erfassungsabstand, wie z. B. die Erkennung von Autos an einem Drive-in-Fenster, können mit ultraschallbasierten Näherungssensoren bewältigt werden. Diese Sensoren erkennen Objekte jeglicher Art in Entfernungen von bis zu mehreren Metern (m). Grundlage der Messung ist die Laufzeit eines vom Sender des Sensors ausgesendeten Ultraschallimpulses, der vom Zielobjekt reflektiert und vom Sensorempfänger erfasst wird (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Entfernungsmessung mit Ultraschall misst die Zeit vom Ultraschallburst des Senders (links) bis zur Ankunftszeit des reflektierten Impulses (rechts). Diese Zeit ist das Doppelte der Flugzeit des ersten Bursts vom Sensor zum Zielobjekt. (Bildquelle: Art Pini)

Die Zeit vom gesendeten Impuls bis zur empfangenen Reflexion stellt die Flugzeit vom Sensor zum Zielobjekt und wieder zurück dar. Bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Flugzeit kann die Entfernung berechnet werden. Im gezeigten Beispiel beträgt die Flugzeit 3,1 Millisekunden (ms). Für Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 70 °F 1128 Fuß pro Sekunde, so dass die gesamte Entfernung zum Objekt und zurück 3,96 Fuß beträgt. Diese Zeit ist das Doppelte der Flugzeit des ersten Bursts vom Sensor zum Zielobjekt.

Der MB1634-000 von MatBotix Inc. ist ein Ultraschall-Näherungssensor mit einem Messbereich von 5 m (16,4 Fuß). Er benötigt eine Spannungsquelle von 2,5 bis 5,5 Volt. Er arbeitet mit einer Frequenz von 42 kHz und gibt den Abstand zum Ziel als analoge Spannung, Impulsbreite oder als seriellen Datenstrom in Transistor-Transistor-Logik (TTL) aus. Er verfügt über eine Kompensation der Zielgrößenvariation, der Betriebsspannung und der internen Temperatur (optionale externe Temperaturkompensation), alles in einem Gehäuse von weniger als einem Kubikzoll - 0,875 x 1,498 x 0,58 Zoll (22,23 x 38,05 x 14,73 mm) (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der MB1634-000 ist ein Ultraschall-Entfernungsmesser mit Sende- und Empfangswandlern und einer Reichweite von 5 m. (Bildquelle: MaxBotix Inc.)

Kapazitive Näherungssensoren

Kapazitive Näherungssensoren können metallische und nichtmetallische Objekte in Pulver-, Granulat-, Flüssigkeits- und Festkörperform erkennen. Ein gutes Beispiel ist der CD50CNF06NO von Carlo Gavazzi (Abbildung 8). Die Komponenten ähneln im Allgemeinen den induktiven Sensoren, mit dem Unterschied, dass die Abtastspulen des induktiven Sensors durch eine kapazitive Abtastplatte ersetzt werden. Sie werden am häufigsten zur Erfassung von Flüssigkeitsständen in Lagertanks eingesetzt.

Abbildung 8: In einem gewöhnlichen kapazitiven Näherungssensor (links) bildet die kapazitive Sensorplatte einen Kondensator mit dem externen Zielobjekt; der Wert der Kapazität bestimmt die Frequenz des Oszillators. Der CD50CNF06NO von Carlo Gavazzi (rechts) ist ein kapazitiver Näherungssensor für die Überwachung von Flüssigkeitsständen. (Bildquelle: Art Pini)

Die Sensorplatte im Sensor bildet mit dem Zielobjekt einen Kondensator und die Kapazität variiert mit dem Abstand zum Objekt. Die Kapazität bestimmt die Frequenz des Oszillators, die überwacht wird, um den Ausgangszustand zu schalten, wenn eine Schwellenfrequenz überschritten wird.

Der CD50CNF06N0 ist für die Überwachung von Flüssigkeitsständen vorgesehen. Es handelt sich um einen Dreileitersensor mit einem NPN-Transistor mit offenem Kollektor, der als Schließer konfiguriert ist. Er benötigt eine Spannungsversorgung von 10 bis 30 Volt DC. Er kommt in einem Gehäuse von 50 x 30 x 7 mm (1,97 x 1,18 x 0,28 Zoll) und hat einen Erfassungsbereich von 6 mm. In seiner normalen füllstandserfassenden Anwendung wird er außen auf einen nichtmetallischen Tank geschraubt oder geklebt.

Fazit

Näherungssensoren sind in unterschiedlichen Technologien erhältlich, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Je nach Sensortyp können sie sowohl metallische als auch nicht-metallische Ziele mit einem Erfassungsbereich von Millimetern bis zu fünf oder mehr Metern erkennen. Sie sind kompakt genug, um in engen Räumen zu arbeiten, und viele sind für den Betrieb in rauen Umgebungen geeignet. Diese Auswahl an Technologien bietet dem Anwender eine Vielzahl von Möglichkeiten, um die unterschiedlichsten Anforderungen an die Näherungserkennung zu erfüllen.