Schaltabstand als zentrale Kenngröße

Ein kapazitiver Sensor schaltet ab einer bestimmten Entfernung zu einem zu detektierenden Material. Dieser Abstand wird als „Schaltabstand“ bezeichnet. Der Schaltabstand ist die wichtigste Kenngröße eines kapazitiven Sensors. Der Schaltabstand ist abhängig vom Durchmesser der Sensorelektrode. Zusätzlichen Einfluss haben Abmessungen und Materialzusammensetzung des Bedämpfungselements und die Umgebungstemperatur.

Die EN 60947-5-2 definiert den Schaltabstand s für alle Arten von Sensoren außer schlitz- und ringförmigen Bauformen. Die Norm meint damit den „Abstand, bei dem durch Annäherung der "Normmessplatte" an die aktive Fläche entlang der Bezugsachse ein Signalwechsel am Ausgang verursacht wird“.

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Sensor zu betätigen:

• durch axiale Annäherung
• durch radiale Annäherung

Der Schaltabstand s eines kapazitiven Sensors wird auf ein geerdetes Metallobjekt bestimmter Größe bezogen. Im Vergleich dazu ist die Änderung der Kapazität bei nichtleitenden Materialien oder nicht geerdeten leitenden Materialien kleiner. Deshalb muss das Objekt zur Betätigung des Schalters näher an die Sensorelektrode herangeführt werden. Wie groß der konkrete Schaltabstand ist, hängt von den folgenden Faktoren ab:

• aktive Fläche der Sensorelektrode
• Größe und Erdungszustand des zu detektierenden Objekts
• Material (Permittivität) des zu detektierenden Objekts
• Einbausituation des Sensors

Je niedriger die Permittivitätszahl des jeweiligen Materials bei sonst vergleichbaren geometrischen Einbaubedingungen ausfällt, desto kleiner ist der erreichbare Schaltabstand s. Bei den meisten kapazitiven Näherungsschaltern ist die Empfindlichkeit mit Hilfe eines Potenziometers am Sensor in Grenzen einstellbar. So kann der werksseitig voreingestellte Schaltabstand noch nachträglich an das Objektmaterial und die Einbausituation des Sensors angepasst werden.

Die Normmessplatte ist als „optimales Betätigungselement“ (~Bedämpfungselement) für den Betrieb definiert. Eine Verringerung der Abmessungen oder Veränderung der Materialzusammensetzung reduziert den Schaltabstand.Zur Ermittlung von Schaltabständen bei einem kapazitiven Sensor muss die Normmessplatte geerdet sein.

Die Normmessplatte spezifiziert einige Sensoreigenschaften wie den Schaltabstand oder die Schaltfrequenz und macht die Sensorspezifikationen vergleichbar. Sensorspezifikationen können genutzt werden, wenn das in der tatsächlichen Anwendung verwendete Bedämpfungselement in Material und Abmessung der Normmessplatte entspricht. Wenn das tatsächlich genutzte Bedämpfungselement größer ist, führt dies in der Regel nicht zu einer Vergrößerung des Schaltabstandes. Sofern das eingesetzte Bedämpfungselement kleiner ist als die in der Norm EN 60947-5-2 spezifizierte Normmessplatte oder aus einem anderen Material besteht, wird dadurch der Schaltabstand verringert. Dementsprechend sind die Anordnung von Sensor und Bedämpfungselement individuell so anzupassen, dass dem verringerten Schaltabstand Rechnung getragen wird.

Betätigung durch axiale Annäherung

Für die axiale Betätigung des Sensors werden die folgenden Schaltabstände mit einer Normmessplatte ermittelt.

Die Normmessplatte hat eine quadratische Form mit einer Dicke von 1 mm und besteht aus Stahl, Typ FE 360 (ST37) mit einer geglätteten Oberfläche.
Die Platte hat eine der folgenden Seitenlängen:

• 1 x Innenkreisdurchmesser der aktiven Fläche
• 3 x sn

Es gilt in jedem Fall der größere Wert (also die größere Fläche).

Beispiel 1
Sensor M18
Schaltabstand 5 mm
3 x Schaltabstand = 15 mm < Sensordurchmesser

• Das Bedämpfungselement muss demnach 18 x 18 x 1 mm groß sein.

Beispiel 2
Sensor M18
Schaltabstand 8 mm
3 x Schaltabstand = 24 mm > Sensordurchmesser

• Somit muss das Bedämpfungselement 24 x 24 x 1 mm groß sein.

Schaltabstand („Bemessungsschaltabstand“) s_n

Der Schaltabstand s_n, bzw. gemäß EN 60947-2-5 „Bemessungsschaltabstand“, ist eine konventionelle Größe zur Festlegung des Schaltabstands. Dieser Schaltabstandstyp berücksichtigt weder Fertigungstoleranzen noch Änderungen durch äußere Einflüsse wie Spannung und Temperatur.

Realschaltabstand s_r

Der Realschaltabstand s_r ist der Schaltabstand eines einzelnen Sensors, der unter folgenden Bedingungen gemessen wird:

• Umgebungstemperatur von +23 ± 5 °C
• Spannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs
• innerhalb der festgelegten Einbaubedingungen

0,9 · s_n ≤ s_r ≤ 1,1 · s_n

Nutzschaltabstand s_u

Der Nutzschaltabstand s_u ist der Schaltabstand eines einzelnen Sensors, der unter folgenden Bedingungen gemessen wird:

• Umgebungstemperaturbereich zwischen -25 °C … +70 °C
• Versorgungsspannung zwischen 85 % … 110 % der Bemessungsbetriebsspannung

0,9 · s_r ≤ s_u ≤ 1,1 · s_r

Gesicherter Schaltabstand s_a

Der gesicherte Schaltabstand s_a ist der Abstand von der aktiven Fläche, in dem die Betätigung des Sensors unter festgelegten Bedingungen sichergestellt ist:
0 < s_a ≤ 0,81 · s_n

Wiederholgenauigkeit R

Die Wiederholgenauigkeit R ist die Veränderung des Realschaltabstands sr, die unter folgenden Bedingungen gemessen wird:

• Zeitraum: 8 Stunden
• Gehäusetemperatur: +23 ± 5 °C
• relative Feuchte: beliebig
• Versorgungsspannung: Ue ± 5 %; bzw. Spannung: beliebig ± 5 % innerhalb des Bemessungsbetriebsspannungsbereichs

R ≤ 0,1 ·s_r

Hysterese H

Die Hysterese H ist der Abstand zwischen den Schaltpunkten (SP), wenn sich die Normmessplatte dem Sensor nähert und wieder von ihm entfernt. Die Hysterese wird relativ zum realen Schaltabstand sr angegeben. Dieser Abstand wird bei einer Umgebungstemperatur von +23 ± 5 °C und der Bemessungsbetriebsspannung gemessen.
H ≤ 0,2 · s_r

Die typische Hysterese kapazitiver Sensoren von Pepperl+Fuchs liegt im Bereich zwischen 5 % … 10 % des Realschaltabstands s_r.

Zustand „sicher ausgeschaltet“

Ein Sensor ist sicher ausgeschaltet, wenn der Abstand der Normmessplatte zu aktiver Fläche mindestens 3 x dem Schaltabstand s_n entspricht.

Betätigung durch radiale Annäherung

Neben der axialen Annäherung der Normmessplatte existiert noch die radiale (seitliche) Annäherung. Wenn man die Normmessplatte seitlich in den Bereich der aktiven Fläche des Sensors hinein bewegt, führt dies je nach axialem Abstand zu einem anderen Schaltabstand (s) mit einem anderen Schaltpunkt (SP) und entsprechend anderer Hysterese (H). Diesen Zusammenhang beschreibt die Ansprechkurve.

Der Sensor schaltet bei axialem Abstand 0 bei ca. 15 % Bedeckung der aktiven Fläche. Bei 0,5 * Realschaltabstand (s_r) muss die Sensorfläche bereits zu ca. 35 % bedeckt sein. Bei axialem Abstand von 0,8 * s_r muss die Bedeckung 50 % sein. Bei 1* s_r muss der Sensor vollständig bedeckt sein, um zu schalten.

Größe und Material in realen Anwendungen weichen i. d. R. von den normativen Vorgaben für die Normmessplatte ab. Natürlich werden im Einsatz Bedämpfungselemente verwendet, die andere Abmessungen haben und aus anderen Materialien bestehen als die Normmessplatte. Den beiden Faktoren kann entsprechend Rechnung getragen werden.

Abweichende Größe zur Normmessplatte

Kapazitive Sensoren werden oft verwendet, um Maschinenteile abzufragen. Solche Maschinenteile haben selten die gleiche Größe und Form wie die Normmessplatte, auf die sich die technischen Daten eines Sensors beziehen. Speziell der Schaltabstand ist von der Größe des Metalls abhängig, mit dem der Sensor bedämpft wird. Generell steigt der Schaltabstand nicht weiter an, wenn die Objekte größer sind, als durch die Normmessplatte vorgegeben. Wenn die Objekte aber kleiner werden als die Normmessplatte, verringert sich der Schaltabstand dagegen merklich. Wenn das abzufragende Objekt von der Größe der Normmessplatte abweicht, wird empfohlen, den Schaltabstand des ausgewählten Sensors zu überprüfen.

Mögliche abweichende Größen

Die Objektfläche a * b ist kleiner als die Normmessplatte
► Der Erfassungsbereich wird kleiner

Die Objektfläche a * b ist größer als die Normmessplatte
► kein Einfluss

Abweichendes Material zur Normmessplatte

Reduktionsfaktor

Neben der Abmessung ist die Materialbeschaffenheit des Bedämpfungselements besonders wichtig. Dies wird durch den Reduktionsfaktor beschrieben. Der Reduktionsfaktor gibt an, um welchen Faktor der Schaltabstand aufgrund unterschiedlicher Materialien gegenüber Stahl FE 360 (St37) abweicht.

Je kleiner der Reduktionsfaktor, desto kleiner ist der Schaltabstand für das spezifische Material. Da dieser Reduktionsfaktor beim kapazitiven Näherungsschalter u. a. auch vom Gehäuse- und Abschirmungsmaterial abhängt, kann er von Typ zu Typ variieren. Deshalb ist der individuelle Wert für den jeweiligen Sensor maßgebend.

Materialkonstanten und Schaltabstände

Der Schaltabstand s_n eines kapazitiven Sensors wird mithilfe eines geerdeten Metallobjekts bestimmter Größe unter definierten Einbaubedingungen (bündig, nicht bündig) werkseitig voreingestellt. Bei Objekten mit abweichenden Materialien, die unter gleichen Bedingungen detektiert werden sollen, reduziert sich der voreingestellte Schaltabstand. 

Hinweis: Wenn das Metallobjekt nicht geerdet ist, dann wird die Größe des Metallobjekts zum wichtigsten Faktor, der darüber entscheidet, ob das Metall detektiert wird oder nicht.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Größenordnungen von materialabhängigen Dielektrizitätskonstanten und zu erwartenden Reduktionsfaktoren auf den Nennschaltabstand.