Definition Was ist eigentlich ein kapazitiver Sensor?

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Kapazitive Sensoren sind das Pendant zu induktiven Sensoren, da sie sich in verschiedensten Applikationen ähnlich handhaben lassen. Während induktive Sensoren ausschließlich leitfähige Metalle detektieren, erfassen kapazitive Sensoren auch nicht-metallische und nicht-leitfähige Werkstoffe sowie flüssige Medien. Wie kapazitive Sensoren aufgebaut sind und wie sie funktionieren, lesen Sie hier.

Generell werden kapazitive Sensoren nach ihrer Einbauart eingeteilt. Hierbei wird zwischen einem bündigen und einem nichtbündigen Einbau unterschieden. Bei einem bündigen Einbau kann der Sensor bis zur aktiven Fläche in ein Metall oder ein anderes potenziell beeinflussendes Material integriert werden, ohne dass sich seine technischen Eigenschaften verändern. Solche Geräte eignen sich insbesondere zur Erfassung von festen Körpern oder zur Niveaukontrolle von flüssigen Medien z. B. durch Behälterwände hindurch, die nicht aus Metall sind.

Bei nichtbündig einbaubaren kapazitiven Sensoren muss eine Freizone um den Sensorvorgesehen werden, die bei allen Geräten auch zum gegenüberliegenden Material einzuhalten ist. Nichtbündig einbaubare kapazitive Sensoren eignen sich vor allem für Anwendungen, in denen ein Medium mit der aktiven Fläche des Sensors in Berührung kommt, z. B. bei der Füllstandserfassung von Schüttgütern, Pasten oder Flüssigkeiten.

So funktionieren kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren funktionieren nach dem Prinzip eines offenen Kondensators (aufgeklappter Plattenkondensator). Die aktive Fläche der Sensoren besteht aus zwei Elektroden bzw. Feldplatten, zwischen denen sich ein elektrisches Feld aufbaut. Die Kapazität eines Kondensators wird u.a. durch das Dielektrikum, dem Material (Isolator) zwischen den Feldplatten, beeinflusst. Daher hängt die Kapazität der Elektrodenanordnung eines kapazitiven Sensors auch von dem Material ab, das sich in seinem elektrischen Feld befindet.

Nähert sich ein leitfähiges oder nicht-leitfähiges Objekt der aktiven Fläche, verändert es das elektrische Feld vor den Elektrodenflächen und somit die Kapazität. Über eine Auswerteschaltung wird diese Veränderung in ein Schaltsignal umgesetzt.

Mit solchen Geräten direkt ansteuerbar sind in diesem Zusammenhang sowohl Elektronik-Schaltungen, als auch SPSen sowie Relais und Schütze.

Permittivität und Berechnung der Kapazität

Die Eigenschaft eines Materials, eine Kapazitätsänderung herbeizuführen, wird durch die sogenannte Permittivitätszahl ausgedrückt. Sie ist das Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder und gibt an, wievielmal größer die Kapazität wird, wenn anstelle von Vakuum ein anderer Isolierstoff als Dielelektrikum verwendet wird.

Analog zum Plattenkondensator wird die Kapazität wie folgt berechnet:

• ε₀ x ε_r x A / d

ε₀ bezeichnet die Permittivität für Vakuum, ε_r bezeichnet die relative Permittivität für das Dielektrikum, A definiert die Plattengröße und d schließlich den Plattenabstand. Je höher die Permittivität eines Materials oder Mediums, desto besser spricht ein kapazitiver Sensor hierauf an, wobei dessen Ansprechverhalten und somit auch die Ansprechempfindlichkeit bzw. Einstellempfindlichkeit maßgeblich von der Kapazität des Gerätes abhängt. Und diese wird im Wesentlichen über den mechanischen Aufbau eines Näherungsschalters festgelegt, da sie von der Größe der Feldplatten und dem Abstand der Platten zueinander abhängt.

In der Regel erfassen kapazitive Sensoren Materialien oder Medien, wenn deren relative Permittivitätszahl ε_r > 1 ist, wobei die Konstante von mehreren Faktoren abhängig ist, z. B. von der Temperatur. Die größten Schaltabstände erreichen kapazitive Sensoren bei ferromagnetischen Materialien wie etwa Stahl, Eisen und Wasser. Bei anderen Werkstoffen ist der erreichbare Schaltabstand geringer.

Materialspezifische Reduktionsfaktoren

Beschrieben wird dieser Werkstoffeinfluss auf den Schaltabstand eines kapazitiven Sensors durch materialspezifische Reduktionsfaktoren. Hierbei gilt:

• Materialabhängiger Schaltabstand =
  Nennschaltabstand x Reduktionsfaktor für den jeweiligen Werkstoff

Der Nennschaltabstand ist eine Kenngröße zur Eingruppierung der Sensoren und berücksichtigt keine Exemplarstreuungen (Abweichungen von einem Referenzwert im Hinblick auf eine charakteristische Eigenschaft eines Bauelements oder technischen Gerätes bei der Serienfertigung) sowie äußere Einflüsse wie Temperatur- oder Spannungsschwankungen. Der Nennschaltabstand ist der Abstand, bei dem die Normmessplatte, die sich der aktiven Fläche des Sensors nähert, eine Zustandsänderung des Schaltausgangs bewirkt. Gemäß EN 60947-5-2 besteht diese Normmessplatte aus einer geerdeten, quadratischen Platte aus Baustahl mit geglätteter Oberfläche und einer Dicke von 1 mm sowie einer Mindeststreckgrenze von 235 N/mm². Die Kantenlänge einer Normmessplatte entspricht dem Durchmesser der aktiven Fläche eines kapazitiven Näherungsschalters.

Übersicht verschiedener Kennwerte

Nachfolgend eine Übersicht über verschiedenste Materialien, wobei aus der Tabelle sehr gut die Korrelation zwischen dem materialspezifischem Reduktionsfaktor und dem möglichen Schaltabstand hervorgeht. Die hier spezifizierten Schaltabstände in Prozent beziehen sich auf genau definierte Messbedingungen. Bei anderen Messanordnungen oder Materialien können sich die Schaltabstände in der Regel reduzieren. Daher sind die Angaben in der Tabelle als unverbindliche Richtwerte zu betrachten.

Gerätegröße und Schaltfrequenz

Die maximale Schaltfrequenz von kapazitiven Näherungsschaltern gibt die höchstzulässige Anzahl von Impulsen pro Sekunde bei einem konstanten Impuls-Pausen-Verhältnis von 1 : 2 und halbem Nennschaltabstand an. Diese Schaltfrequenz wird ebenfalls mit einer Standardnormmessplatte bestimmt. Die maximal möglichen Schaltvorgänge pro Sekunde setzen der Schaltfrequenz somit Grenzen. Bei der Wahl des richtigen Sensors muss daher in der Praxis oftmals ein Kompromiss zwischen der Gerätegröße und der Schaltfrequenz gemacht werden.

Einfluss von Umgebungsbedingungen auf Schaltabstände

Der Schaltabstand von kapazitiven Näherungsschaltern lässt sich zumeist über ein Potentiometer einstellen. Bei konstanten Umgebungsbedingungen ist in der Regel eine Einstellung der Reichweite bzw. Empfindlichkeit bis zum für das Gerät angegebenen Maximalwert möglich. Bei schwankenden Umgebungseinflüssen sollte dieser Wert jedoch nicht ausgeschöpft werden, da sich z. B. Temperatur, Schwankungen der Versorgungsspannung etc. auf das Ansprechverhalten auswirken und bei Einstellung des Maximalwerts mitunter zu Fehlfunktionen des Gerätes führen können.

Die in kapazitiven Sensoren integrierte Schalthysterese (Differenz zwischen Ein- und Ausschaltpunkt des Gerätes) verhindert ein Hin- und Herkippen des Schaltausgangs, wenn sich ein Objekt an der Grenze des Erfassungsbereichs befindet oder mechanischen Vibrationen unterliegt.

Potenzielle Einsatzbereiche kapazitiver Sensoren

Zu den typischen Aufgaben von kapazitiven Näherungsschaltern für den bündigen Einbau gehört die Erfassung von Festkörpern, die berührungslose Wegmessung, Abstandsmessung sowie das Positionieren oder Zählen von Objekten. Darüber hinaus können sie u.a. für Dickenmessungen oder zur Abfrage von Flüssigkeitsfüllständen durch Behälterwände eingesetzt werden, vorausgesetzt, die Wandungen sind nicht zu dick und bestehen aus nicht-metallischen Materialien. Kapazitive Näherungsschalter für den nichtbündigen Einbau eignen sich besonders für Anwendungen, in denen das Medium mit der aktiven Fläche des Sensors in Kontakt kommt, z. B. bei der Füllstandserfassung von körnigen Medien (Schüttgütern), Pasten oder Flüssigkeiten.

Vor- und Nachteile kapazitiver Sensoren

Kapazitive Näherungsschalter haben den Vorteil, auf alle erdenklichen Materialien sehr gut zu reagieren, wodurch sie sehr vielseitig einsetzbar sind. Außerdem arbeiten sie berührungslos und damit weitestgehend verschleißfrei. Ein weiterer Vorteil besteht zudem in dem im Vergleich zu induktiven Sensoren größeren Erfassungsbereich von kapazitiven Näherungsschaltern. Ein Nachteil von kapazitiven Sensoren ist der vergleichsweise geringe Schaltabstand, der überdies vom zu detektierenden Material abhängt. Unter rauen Umgebungsbedingungen sind kapazitive Näherungsschalter nur bedingt einsetzbar, da Verschmutzungen des Sensors aufgrund von Ablagerungen z. B. von Staub, Ölen, Fetten, Wasser oder Späne das Dielelektrikum beeinflussen, wodurch es zu Fehlfunktionen der Geräte im Einsatz kommen kann.

Anbieter von kapazitiven Sensoren

• Balluff

• Baumer

• Di-Soric

• Dietz Sensortechnik

• EBE

• IFM Electronic

• IPF Electronic

• Leuze

• Micro-Epsilon

• Pepperl + Fuchs

• Physik Instrumente

• Rechner Sensors

• Sick

• Turck

• Waycon

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

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