Ratgeber
Induktive Sensoren und Näherungsschalter sind wahre Tausendsassa in der Automation. Sie reagieren auf die Annäherung der meisten Metalle und können damit bestimmte Aktionen auslösen. Die Skala reicht von der Drehzahl- oder Abstandsmessung über Positionskontrollen bis zu komplexen Aufgaben in der Fabrikautomation.
In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen Aufbau und Funktion dieser Sensoren vor und geben Tipps für die Beschaffung.
Das Prinzip induktiver Näherungssensoren basiert auf der elektromagnetischen Induktion, die sich auf zwei Arten zeigt: Einerseits entwickelt eine Drahtspule ein elektromagnetisches Feld, sobald ein Strom durch sie fließt. Andererseits fließt ein Strom durch eine Spule, wenn sich ein Magnetfeld nähert.
Michael Faraday wird allgemein die Entdeckung der Induktion im Jahr 1831 zugeschrieben, James Clerk Maxwell beschrieb sie mathematisch als Faradaysches Induktionsgesetz.
Eine Form des induktiven Sensors beziehungsweise induktiven Näherungsschalters enthält eine durch einen Schwingkreis – dem Oszillator – gesteuerte Drahtspule. Nähert sich ein metallisches Objekt, verändert sich die Induktivität der Detektorspule.
Das führt zu einer Frequenz- oder Stromänderung in den Wicklungen. Diese Änderungen lassen sich erfassen, verstärken, mit einem Schwellenwert vergleichen und zum Schalten eines externen Stromkreises verwenden.
Zur Verstärkung des Magnetfeldes kann die Drahtspule einen ferromagnetischen Kern enthalten, der zugleich die Empfindlichkeit des Geräts erhöht. Eine Spule ohne ferromagnetischen Kern lässt sich ebenfalls verwenden und wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn ein großer Erfassungsbereich abzudecken ist.
Der induktive Sensor besteht zunächst aus einer Induktionsschleife oder Detektorspule. In der Regel handelt es sich dabei um eine Reihe von Windungen eines isolierten Drahtes, der um einen Kern mit hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist. Dabei ist meist ein Ferrit-Keramikstab im Einsatz. Da die Detektorspule mit einem Kondensator verbunden ist, handelt es sich um die Grundform für einen Schwingkreis.
Ein kompletter Oszillator einer abgestimmten Frequenz entsteht durch die Verbindung mit einem Spannungs- oder Stromverstärker wie einem Transistor oder einem Komparator mit Endstufe.
Bei angelegtem Strom entsteht in der Spule ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom. Das daraus resultierende pulsierende Magnetfeld ist in der Lage, in nahegelegenen metallischen Gegenständen Wirbelströme zu induzieren.
Je näher das Objekt der Detektorspule kommt und je höher seine Leitfähigkeit ist, desto größer sind die induzierten Wirbelströme – und desto stärker wirken sich die daraus resultierenden entgegengesetzten Magnetfelder auf die Größe und Frequenz der Schwingung aus.
Bei einem nichtmagnetischen Leiter wie beispielsweise Aluminium verringert sich dagegen die Intensität der Schwingung, wenn die Last erhöht wird. Grund: Da das induzierte Feld im Zielobjekt dem Induktionsfeld der Quelle entgegenwirkt, verringert sich die induktive Nettoimpedanz.
Gleichzeitig erhöht sich die Schwingungsfrequenz. Diese Größe wird jedoch weniger beeinflusst, wenn es sich bei dem Objekt um ein hoch magnetisch permeables Material wie Eisen handelt. Dessen hohe Permeabilität erhöht die Spuleninduktivität und senkt die Schwingungsfrequenz.
Schematischer Aufbau
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Magnetfeldlinie
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Aktive Fläche
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Spule
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Ferritkern
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Oszillator
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Komparator
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Endstufe
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Sensorsignal
Ein induktiver Näherungsschalter arbeitet berührungslos. Er wird im Allgemeinen für das Positionieren und Erkennen von Metallobjekten verwendet.
Der Erfassungsbereich eines induktiven Schalters hängt von der Art des zu erfassenden Metalls ab. Eisenhaltige Metalle wie Gusseisen und Stahl ermöglichen einen größeren Erfassungsbereich, während Nichteisenmetalle wie Aluminium und Kupfer den Erfassungsbereich um bis zu 60 Prozent verringern können.
Zu den üblichen Einsatzbereichen induktiver Sensoren gehören Metalldetektoren, Verkehrsampeln, Autowaschanlagen und eine Vielzahl automatisierter industrieller Prozesse. Da der Sensor keinen physischen Kontakt erfordert, ist er besonders nützlich für Anwendungen, bei denen der Zugang schwierig ist oder wo Schmutz vorherrscht.
Anschluss
Bei induktiven Näherungsschaltern sind zwei verschiedene Anschlussarten üblich: per Kabel mit offenem Ende oder über eine Steckverbindung. Gängige Stecker sind M5, M8, M12 und M18 mit drei- oder vierpoligen Anschlüssen.
Schaltabstand
Mit Schaltabstand wird der Abstand zwischen dem zu erkennenden Objekt und dem induktiven Näherungsschalter bezeichnet, sobald dieser auslöst. Je höher der Anteil ferromagnetischer Substanzen im Objekt, desto empfindlicher reagiert der Sensor und desto größer kann der Schaltabstand sein.
Ausgang
Zu beachten ist hier lediglich, ob der Sensor wie in Europa üblich den Ausgang nach der PNP-Norm schaltet. PNP steht für positiv-negativ-positiv, der Pluspol ist dabei der Schaltdraht.
Kontaktart
Der induktive Sensor oder Näherungsschalter verrichtet per se keine Arbeit, er liefert lediglich einen Schaltzustand, vergleichbar mit einem mechanischen oder elektronischen Relais. Auch hier gibt es die drei Relaisfunktionen Öffnen, Schließen und Wechseln.
Bei einem induktiven Näherungsschalter als Öffner wird ein bestehender Stromkreis unterbrochen und beim Schließen geschlossen. Ein Wechsler-Kontakt wechselt von einem Stromkreis in einen anderen. Ausgelöst werden die jeweiligen Schaltzustände, wenn sich der Sensor per Induktion aktiviert hat.
Wie groß können die Schaltabstände sein?
Grundsätzlich gilt: Je größer der Sensor, desto größer der Schaltabstand. Sehr kleine Sensoren lösen erst bei Abständen unter einem Millimeter aus, mittlere bei 5 bis 15 Millimeter. Große Näherungsschalter in quaderförmiger Bauform lassen sogar Abstände von 50 bis 100 Millimeter zu.
Spielt die Einbauart des Sensors eine Rolle?
Ja, sogar eine sehr wichtige. Es gibt bündige und nicht bündige Typen, das heißt, bündige Typen schließen nach dem Einbau glatt mit der umliegenden Fläche ab, unbündige stehen dagegen etwas aus der Fläche heraus. Nachteil des bündigen Einbaus: Der Schaltabstand ist kleiner, manchmal bis zu 50 Prozent. Kommt es also auf das sicheres Erkennen eines Objekt auch bei Abständen von mehreren Millimetern an, ist der unbündige Typ besser geeignet.