Kapazitive Wegsensoren
Kapazitive Wegsensoren sind keine kapazitiven Näherungsschalter. Sie arbeiten mit dem gleichen kapazitiven Messprinzip, das seit 40 Jahren optimiert wird. Kapazitive Wegsensoren werden seitdem in zahllosen Anwendungen in Forschung und Industrie eingesetzt. Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. Die kapazitiven Sensoren ermitteln berührungslos und extrem hochauflösend den Abstand zu metallisch leitenden Objekten. Die angeschlossene Elektronik zeigt die gemessene Distanz bei der Serie KS direkt an einem Display an. Bei allen Elektroniken steht die gemessene Distanz in Form eines analogen Ausgangssignals zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Mit kapazitiven Wegaufnehmern kann selbst unter extremen Bedingungen, wie im radioaktiven Bereich, nahe 0 K oder im Hochvakuum, gemessen werden.
Kapazitiver Wegsensor KS
| Messbereiche | 0,05, 0,2, 0,5, 1, 2, 3, 5, 10 mm |
|---|---|
| Auflösung max. | dynamisch 0,01 % |
| Linearität max. | ± 0,2 % |
| Ausgang analog | 0 - 10 V |
| Betriebstemperatur | -50...+200 °C |
| Schutzklasse max. | IP68 |
| Download | Datenblatt | CAD-Daten |
Kapazitive Wegaufnehmer - Anwendung
Kapazitive Wegaufnehmer finden ihre Anwendung in hochdynamischen Feldern. Ihre hohe Auflösung im Nanometerbereich und Beständigkeit gegenüber Temperaturen bis 200 °C bei gleichbleibender Messgenauigkeit prädestinieren kapazitive Wegaufnehmer für dynamische Messungen bei extremen Umgebungen.
Kapazitive Wegsensoren finden ihren Einsatz bei Distanzmessung im Niedrigtemperaturbereich, als Referenzsystem für andere Distanzsensoren, Toleranzprüfung in der Massenfertigung, Schwingungsmessungen, Dehnungsmessungen, Dickenmessungen und -kontrolle von dünnen Metallfolien, Dickenmessung von Plastikfolien während der Produktion, Messung der Dicke, Abschrägung und Durchbiegen von Wafer in der Halbleiterproduktion und vielem mehr.
Bremsscheibenmessung
Bremsscheiben von Fahrzeugen werden kurzfristigen sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Die mechanische Abreibung und die extreme Temperaturentwicklung an der Bremsscheibe üben erheblichen Einfluss auf die Gefügestruktur der Bremsscheibe aus. Das verwendete Material muss diesen Belastungen möglichst lange standhalten können, ohne dass sich die Gefügestruktur verändert. Feine Risse führen zu einem Bruch bei erneuter Belastung und gefährden die Fahrzeugkontrolle.
Kapazitive Sensoren finden bei der Messung der Bremsscheibenverformung Anwendung. Aufgrund der hohen Temperaturentwicklung sind nur wenige Sensoren hierfür geeignet, dicht am Messobjekt zu operieren. Kapazitive Wegaufnehmer detektieren Veränderungen im Nanometerbereich und messen den Abrieb an der Bremsscheibe.
Kapazitive Wegaufnehmer - Dynamische Messung an Turbinen, oder Motoren
Bei Turbinen führen die Fliehkräfte, welche auf die Turbinenschaufeln ausgeübt werden, zu einer Ausdehnung der Turbinenschaufeln. Für die Auslegung und Konstruktion von Turbinenschaufeln ist es essentiell, dass keine Unwuchten entstehen, die das System aus dem Gleichgewicht bringen.
Kapazitive Wegaufnehmer erfassen Änderungen im Nanometerbereich und liefern entscheidende Daten für die FEM-Analyse.
Versatz- und Verschleißmessung an Lagern
Lager dienen zur Fixierung von Achsen und Wellen und sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Die meisten Lager sind Wälz- oder Gleitlager. Sie nehmen radiale und/oder axiale Kräfte auf und ermöglichen dabei die Rotation einer Welle oder Achse. Lager werden permanent beansprucht und sind häufig die Komponente in einem Produkt oder Maschine, welche aufgrund des Verschleißes, zum Ausfall des Produktes oder Maschine führen.
Kapazitive Sensoren werden für die Überwachung und Kontrolle des Verschleißes herangezogen, damit systemrelevante Maschinen rechtzeitig gewartet werden können. Dies ist in automatisierten Prozessen relevant, da sonst der komplette Fertigungsprozess bei Ausfall einer kritischen Maschine zum Erliegen kommt.
Konzentrizitätsmessung an Achsen, Wellen und Bohrungen
Wellen benötigen für ihren sauberen Rundlauf einen konzentrischen Schwerpunkt. Je schneller eine Welle sich dreht und je weiter der Schwerpunkt vom Mittelpunkt verlagert ist, desto unrunder läuft die Welle. Dies kann zu einem Ausbrechen der Welle führen.
Konzentrizitätsmessungen mittels kapazitiver Wegsensoren geben Aufschluss, ob die Welle konzentrisch gefertigt wurde, bzw. ob und inwiefern sie sich bei Belastungen verformt.
Messung des Elastizitätsmoduls und thermischer Ausdehnung
Das Elastizitätsmodul ist ein Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen der Spannung und der Dehnung bei Verformung fester Körper beschreibt. Materialien dehnen oder stauchen sich aufgrund ihrer Zug-/ Druck- und Scherbelastungen. Ebenfalls werden Verformungen durch Druck und Temperatureinflüsse hervorgerufen.
Kapazitive Wegaufnehmer als Weggeber erfassen Verformungen im Nanometerbereich und eignen sich ideal für die Messung hochdynamischer Materialien.
Kapazitive Sensoren - Messprinzip
Das kapazitive Messprinzip für kapazitive Sensoren wurde vor über 40 Jahren entwickelt und hat sich seitdem in zahllosen Anwendungen in Forschung und Industrie bewährt. Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. Ein kapazitiver Sensor als Distanzsensor ist mit einem klassischen Plattenkondensator vergleichbar. Dabei bildet der kapazitive Wegsensor die eine Platte, das Messobjekt die andere. Die Sensorgröße und die Messobjektgröße werden als konstant angesehen, ebenso wie das dielektrische Material dazwischen. Daher resultiert jede Änderung der gemessenen Kapazität aus einer Veränderung des Abstands zwischen dem kapazitiven Wegaufnehmer und dem Messobjekt. Wird der Kondensator von einem Wechselstrom mit konstanter Amplitude durchflossen, so herrscht eine Proportionalität zwischen der Amplitude der Wechselspannung am Sensor und dem Abstand der Kondensatorelektroden. Die nachgeschaltete Elektronik ist so kalibriert, dass der ausgegebene Spannungswert einer bestimmten Veränderung der Kapazität entspricht. Die ausgegebenen Spannungswerte sind so skaliert, dass sie bestimmten Veränderungen in der Entfernung entsprechen. Die technische Größe Empfindlichkeit beschreibt den Zusammenhang zwischen der Veränderung der Spannung bei einer festgelegten Veränderung des Abstands. Eine gängige Einstellung der Empfindlichkeit ist 100 μm/1 V (abhängig vom Sensortyp).
Was sind die Eigenschaften des kapazitiven Wegsensors?
Das Gerät misst berührungslos den Abstand zwischen der Stirnseite eines Wegaufnehmers und der elektrisch leitenden Oberfläche des Messobjekts. Wegaufnehmer und Messobjekt bilden zusammen einen elektrischen Kondensator. Das Gerät ist in Längeneinheiten geeicht. Die Elektronik liefert eine dem Abstand proportionale Spannung für statische und dynamische Messungen.
Was ist die Wirkungsweise und Aufbau des kapazitiven Wegsensors?
Der Blindwiderstand eines idealen Plattenkondensators ist dem Plattenabstand proportional. Dieser Zusammenhang liegt dem Messverfahren, das in dem elektronischen Wegmessgerät verwendet wird, zugrunde. Der kapazitive Wegaufnehmer ist als Schutzringkondensator aufgebaut, dessen Schutzring mit dem inneren Schirm des doppelt abgeschirmten Messkabels verbunden ist. Durch einen gegengekoppelten Verstärker wird der Schutzring sehr genau auf dem Potential der Mittelelektrode des Aufnehmers gehalten. Dadurch erreicht man im ganzen Messbereich ein nahezu homogenes elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten sowie eine weitgehende Unabhängigkeit von Änderungen der Kabelkapazität. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Amplitude und Frequenz den Aufnehmerkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung zwischen den Kondensatorelektroden ihrem Abstand proportional. Ein 20 kHz-Oszillator hoher Amplituden- und Frequenzkonstanz liefert sowohl den Strom für den Aufnehmer als auch eine Kompensationsspannung, deren Größe mit einem Präzisionspotentiometer eingestellt werden kann. Die Spannung am Aufnehmer und die Kompensationsspannung werden von je einem Gleichrichter hoher Linearität und Nullpunktkonstanz gleichgerichtet. Die Differenz dieser Spannungen liegt einerseits an dem eingebauten Anzeigeinstrument und wird andererseits über einen Tiefpass und einen Verstärker der Ausgangsbuchse zugeführt. Der elektronische Teil des Wegmessgeräts besteht aus gedruckten Schaltungen in Steckkartenbauweise und ist ausschließlich mit Bauteilen hoher Zuverlässigkeit bestückt.
Aus der Wirkungsweise des Messgeräts ist zu ersehen, dass die Eigenschaften des Dielektrikums die Messung beeinflussen. Im Allgemeinen wird das Gerät für Messungen in Luft eingesetzt werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass der Raum zwischen Aufnehmer und Messobjekt frei von Verunreinigungen jeder Art, wie Staub, Öl, Wasser usw. gehalten wird. Gegebenenfalls kann dies durch einen Luftstrahl, der auf den Spalt zwischen Aufnehmer und Messobjekt gerichtet ist, ermöglicht werden.
Kann der Sensorkopf jederzeit ausgewechselt werden?
Ja, da die Empfindlichkeitstoleranzen der Sensorköpfe so klein sind, dass mit beliebigen Exemplaren ohne Neujustierung der Elektronik eine Gesamtgenauigkeit von ±0,5% erreicht wird.
Was sind die physikalische Grundlagen des kapazitiven Wegsensors?
Zwei elektrisch leitende Körper, die voneinander isoliert sind und zwischen denen eine elektrische Spannung herrscht speichern elektrische Ladung. Das Verhältnis zwischen der Ladungsmenge Q und der Spannung U bezeichnet man als Kapazität C = Q/U.
Ein Kondensator macht sich dieses Prinzip zunutze. Zwischen den beiden elektrisch leitenden Elektroden befindet sich ein isolierendes Material, das Dielektrikum. Die Kapazität des Kondensators wird durch die Größe A der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Kehrwert des Abstandes d der Elektroden zueinander bestimmt:
C=ɛ A/d
ɛ = Permittivität des Dielektrikums
Welchen Einflüssen unterliegt der kapazitive Wegsensor?
Temperatureinfluss
Ist bei dem Distanzsensor im Wesentlichen gegeben durch die Längendehnung des Sensormaterials. Sonderausführungen aus INVAR sind verfügbar. Die höchste Betriebstemperatur ist begrenzt durch den Schmelzpunkt des Lötmaterials im Stecker. Messungen bei Tiefsttemperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts wurden erfolgreich mit unseren Distanzsensoren durchgeführt.
Messungen in Flüssigkeiten
Messungen in Flüssigkeiten sollten nur in Sonderfällen vorgenommen werden. In einem solchen Fall ist zu berücksichtigen, dass nicht nur Verunreinigungen, sondern auch Gasblasen das Messergebnis verfälschen können. Außerdem entspricht der wirkliche Abstand, dem mit der relativen Dielektrizitätskonstanten multiplizierten angezeigten Abstand. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeiten im Allgemeinen temperaturabhängig sind. Selbstverständlich müssen die als Dielektrikum verwendbaren Flüssigkeiten verlustarm, d. h. elektrisch isolierend sein.
Magnetische Felder
Sind nur soweit zu beachten, dass keine Kräfte auf den Messaufbau einwirken. Die Positionssensoren können auch aus unmagnetischem Material gefertigt werden (z. B. Titan).
Radioaktive Strahlung
Hat keinen Einfluss auf die Messung bzw. Positionserfassung, geeignete Isolationsmaterialien gewähren auch Langzeitbetrieb ohne Ausfälle.
Spezifischer Widerstand
Die relativ niedrige Trägerfrequenz des Messsystems erlaubt Messungen und Positionserfassungen an Materialien im Mikroohm- bis Kiloohmbereich (μΩ bis kΩ) ohne spezielle Nacheichung. Damit ist auch der gesamte Bereich des Halbleiters Siliziums abgedeckt. Große Bedeutung hat diese Tatsache auch bei der Messung gegen einsatzgehärtete Wellen im Maschinenbau, da die Schwankungen der Gefügestruktur keine Rolle spielen. Wellenverlagerungsmessungen im Öl eines Gleitlagers sind mit kaum einem anderen Messverfahren möglich.
Isoliermaterialien
Auch Positionsmessungen an nichtleitenden Objekten sind möglich. Besonders einfach sind Dickenmessungen von Kunststoff-Folien, Quarz-, Glas- oder Keramik-Scheiben.
Oberflächen-Mittelung
Auch die zunächst negativ erscheinende benötigte Mindestmessfläche der Weggeber für die Positionsmessung hat nicht zu unterschätzende Vorteile: bei rauen Oberflächen wird automatisch der Mittelwert erfasst. Eine polierte Siliziumscheibe der höchsten Qualitätsstufe kann auf der geätzten Rückseite eine Rautiefe von einigen μm aufweisen, so dass optische Sensoren mit punktförmigem Lichtstrahl nur mit mehreren Messungen und Softwaremittelung einen wiederholbaren Dickenwert ermitteln können.
