Sensortechnik Reduktionsfaktor-1-Sensoren detektieren verschiedene Metalle mit gleichem Schaltabstand

Induktive Näherungsschalter haben sich in der Fabrikautomation einen festen Platz erobert. Eine besonders interessante Variante sind Reduktionsfaktor-1-Sensoren, die stets denselben Schaltabstand liefern, egal aus welchem Metallwerkstoff das Targetobjekt hergestellt ist. Technische und wirtschaftliche Gründe sprechen jedoch für ein gleichberechtigtes Nebeneinander mit Standard-Sensoren.

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Anlagenplaner und Betreiber mussten lange damit leben, dass induktive Näherungsschalter auf verschiedene Metalle mit verschiedenen Schaltabständen reagieren. Das zog einen nicht unerheblichen Aufwand nach sich, wenn es Objekte aus unterschiedlichen Metallen zu erfassen galt.

In solchen Situationen war nur eine streng nach Chargen getrennte Verarbeitung nacheinander vernünftig realisierbar. Jedoch führte das zu kostspieligen Produktionspausen, in denen das Bedienpersonal umrüsten und justieren musste.

Target-Metalle üben unterschiedliches Dämpfungsverhalten auf Sensor aus

Der Grund für verschiedene Schaltabstände liegt in dem unterschiedlichen Dämpfungsverhalten, das die Target-Metalle auf den Schwingkreis des Näherungsschalters ausüben, der hauptsächlich aus drei Funktionsgruppen besteht: Oszillator, Komparator und Ausgangsverstärker. Sobald Betriebsspannung anliegt, beginnt er zu schwingen.

Die in einem Ferritkern befindliche Spule richtet dabei das entstehende elektromagnetische Feld so aus, dass es nach vorne zur aktiven Fläche weist. Nähert man diesem Feld ein Betätigungselement, entzieht es dem Schwingkreis Energie, worauf die Oszillator-Spannung absinkt. Der nachgeschaltete Komparator detektiert diesen Vorgang, so dass sich – je nach Art des Sensors und eingestelltem Schaltabstand – ein entsprechendes Ausgangssignal generieren lässt.

Targets aus Eisen erfordern höheren Abstand zum Näherungsschalter

Per Definition detektieren induktive Näherungsschalter Targets aus Eisen mit dem Reduktionsfaktor von 1. Andere Metalle erreichen dagegen nur einen geringeren Schaltabstand, zum Beispiel Messing mit einem Faktor von 0,4. Diese stoffabhängige Eigenschaft gegenüber dem Referenzmaterial ST37 bezeichnet man als Reduktionsfaktor.

Während Objekte aus magnetischem und elektrisch leitfähigem Material einen höheren Schaltabstand liefern, führen Targets aus magnetisch nicht leitfähigem, aber elektrisch leitfähigem Material zu einem geringeren Schaltabstand.

Durch die Weiterentwicklung zum Reduktionsfaktor-1-Näherungsschalter ließ sich diese lästige Eigenschaft eliminieren. Die speziellen Sensoren erkennen alle Metalle mit dem gleichen Schaltabstand – zwar mit einem etwas höheren technischer Aufwand, der sich aber häufig bezahlt macht.

Oszillator mit zwei Luftspulen erlaubt gleichen Abstand

Statt einer Spule im Ferritkern hat der Oszillator zwei elektrisch gekoppelte Luftspulen, die sich gezielt beeinflussen lassen und so bei allen Metallen zum gleichen Reduktionsfaktor führen. Das spart überall dort Zeit und Geld, wo regelmäßig verschiedene Metalle zu detektieren sind. Weiterer Vorteil dieser Geräte: Sie eignen sich für fast jede Applikation.

Dazu gehören beispielsweise auch Schweißanlagen und Schweißroboter, die besondere Anforderungen an die Robustheit der induktiven Näherungsschalter stellen. Die schweißfesten Ausführungen sind so ausgelegt, dass sie glühenden Metallspritzern standhalten.

Spezielle Ausführungen der Näherungsschalter für Schweißanlagen

Zylindrische Sensoren bestehen dabei etwa aus Messing, das in einem zweiten Fertigungsschritt mit PTFE beschichtet wird. Auch die Frontflächen, die aus einem speziellen Kunststoff mit metallischen Eigenschaften gefertigt sind, erhalten eine solche Beschichtung. Das Gehäuse quaderförmiger Sensoren besteht bei vielen Varianten aus Metall und nur die Sensorfläche aus schweißfestem Kunststoff, da sich hier ein Vollmetallgehäuse negativ auf die Sensorcharakteristik auswirken würde.

Mittlerweile weitet sich wegen dieser Vorzüge das Einsatzgebiet von Reduktionsfaktor-1-Sensoren kontinuierlich aus – was aber bedeutet, dass für viele Anwendungen der Standard-Schaltabstand nicht mehr ausreichend ist. Pepperl+Fuchs hat deshalb auch eine spezielle Baureihe mit Reichweiten bis zum doppelten Schaltabstand entwickelt.

Standard-Sensoren bei bestimmten Anwendungen im Vorteil

Jedoch gibt es auf der anderen Seite nach wie vor Anwendungen, bei denen induktive Standard-Sensoren mit ihrem Ferritspulen-System weiterhin im Vorteil sind, zum Beispiel beim schnellen Zählen von Kleinteilen oder wenn Querbewegungen zu erfassen sind. Der Ferrit bündelt die Feldlinien der Spule und richtet diese optimaler zur aktiven Fläche aus. Dort reichen die elektromagnetischen Feldlinien in der Mitte des Sensors nicht so weit wie am Rand, was teilweise zu unerwünschten Effekten wie doppelten Schaltimpulsen führt.

Zudem rechnen sich die höheren Entwicklungs- bzw. Anschaffungskosten von Reduktionsfaktor-1-Sensoren auch nicht in allen Anwendungen. Da sich das Oszillatorfeld nicht nur zur aktiven Fläche, sondern auch in die entgegen gesetzte Richtung ausrichtet, sind geeignete Maßnahmen notwendig, um eine gleich bleibende Einbauleistung zu gewährleisten. Das gilt sowohl für Systeme mit gewickelten Luftspulen als auch für Sensoren, die gedruckte Leiterplattenspulen verwenden. Bei induktiven Standard-Sensoren dagegen bündeln die Ferritkerne nicht nur die Feldlinien zu einem optimalen Feldlinienverlauf, sondern schirmen das entstehende Feld gleichzeitig nach hinten ab.

Armin Hornberger ist Produktmanager für Sensoren im Geschäftsfeld Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs

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