Induktive Sensoren

Aufbau und Funktionsprinzip induktiver Sensoren

Induktive Sensoren zählen zu der Kategorie der Positionssensoren und werden häufig auch als Näherungsschalter bezeichnet. Es handelt sich hierbei um robuste Sensoren, die sicher und berührungslos metallische Gegenstände erfassen und deren Position überwachen können. Im Gegensatz zu kapazitive Sensoren sind die induktiven Sensoren „reine Metalldetektoren“.

Abb. 1: Aufbau eines induktiven Sensors

Das Herzstück eines induktiven Sensors besteht aus einer Spule mit Ferritkern, über die sich die sogenannte „aktive Fläche“ zur Objekterfassung befindet.

Im Anschluss an die Spule folgt ein Schwingkreis bildender Kondensator, der Frequenz beeinflusst mit die der Sensor arbeitet. Die erzeugten elektrischen Signale werden von der Folgeelektronik weiterverarbeitet und in nutzbare Daten umgewandelt. All diese Komponenten des induktiven Sensors werden von einem Gehäuse umschlossen und geschützt, das über einen entsprechenden Stromversorgungsanschluss verfügt.

Die Detektion erfolgt durch das sogenannte „Induktionsprinzip“, indem die in den Sensoren verbaute Kupferspule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt.

Sobald sich ein metallenes Objekt in Reichweite des induktiven Sensors befindet, wird das Magnetfeld bedämpft bzw. abgeschwächt. Die veränderten Schwingungsamplituden des Magnetfeldes führen schließlich zur Sensorschaltung.

Abb. 2: Darstellung des Induktionsprinzips

Schaltabstände von induktiven Sensoren

Diejenige Distanz zum Objekt, die eine Schaltung auslöst, wird auch als Schaltabstand bezeichnet und ist eine wichtige Kenngröße.

Abb. 3: Visualisierung der Schaltabstände von induktiven Sensoren

Bei induktiven Sensoren unterscheidet man im Wesentlichen zwischen vier Schaltabständen.

Der Nennschaltabstand Sn definiert den theoretischen Abstand, ab dem eine Sensorschaltung ausgelöst wird. Dieser Wert ist häufig der Einzige, der im Datenblatt mitübergeben wird. Da diese Kennzahl jedoch etwaige Einflussfaktoren wie Temperatur und Spannungen sowie Fertigungstoleranzen unberücksichtigt lässt, ist es wichtig auch die weiteren Schaltabstandstypen zu kennen.

Der Realschaltabstand Sr ist eine Kenngröße für den realen Abstand, der nach DIN EN 60947-5-2 Kriterien einen Schaltvorgang anstößt. Hierbei werden fest vorgeschriebene Bedingungen wie z. B. die die Spannung, die Temperatur, das Sensormaterial und die Einbauart berücksichtigt.

Sr ist wie folgt definiert: Sr_min = Sn ⋅ 0,9 ≤ Sr ≤ Sr max= Sn ⋅ 1,1

Der Nutzschaltabstand Su bezieht den insgesamt angegebenen zulässigen Temperatur- und Spannungsbereich mit ein und liegt zwischen Su_min 90 % und Su_max 110 % des Realschaltabstands Sr. Folglich gilt: Sn ⋅ 0,81 ≤ Su ≤ Sn ⋅ 1,21 (oder Sr ⋅ 0,9 ≤ Su ≤ Sr ⋅ 1,1)

Der Arbeitsschaltabstand Sa wird auch als gesicherter Schaltabstand bezeichnet. Diese Kennzahl besagt, dass 0 ≤ Sa ≤ Sn ⋅ 0,81 sein muss, damit eine zuverlässige Schaltung unter Berücksichtigung jeglicher Toleranzen und anderer Faktoren sichergestellt werden kann. Außerhalb dieses Bereiches wird kein sicheres und normgerechtes Schalten gewährleistet.

Es gilt zu beachten, dass für die oben definierten Schaltabstände eine Normesplatte aus Stahl (Fe360 bzw. St37) als Referenz hinzugezogen wurde. Wenn andere zu detektierende Metallobjekte zum Einsatz kommen, sind jeweilige Korrekturfaktoren K zu berücksichtigen, da sich dadurch der jeweilige Schaltabstand verändern kann.

Anders sieht es bei Kplus-Sensoren bzw. Faktor- 1-Sensoren aus, denn hier bleibt der Schaltabstand unabhängig des Metallobjekts stets identisch bei K=1.

Wie werden induktive Sensoren eingebaut?

Induktive Sensoren sind mit bündigem und nicht-bündigem Gewinde erhältlich. Die Spule bündiger Sensoren ist nochmals von einem äußeren Metallring umfasst. Dadurch ist sie stärker von externen Einflüssen abgeschirmt, die das Wechselfeld beeinträchtigen und Fehlschaltungen begünstigen können. Durch die starke Abschirmung eignen sich die induktiven Sensoren mit bündigem Gewinde für den Einbau in metallenen Umgebungen. Sie dürfen plan mit der Metallfläche eingesetzt werden. Nicht bündige Sensoren dagegen dürfen nicht plan eingebaut werden. Nur durch eine freiliegende aktive Fläche wird die Funktionalität dieser Sensoren erhalten.

Darüber hinaus schreibt die Norm EN 60947 für den Einbau nicht bündiger Sensoren vor, dass „Freizonen“ eingehalten werden müssen. Folglich sind metallische Störmaterialien von bestimmten Flächen fernzuhalten. Auf jeder Seite ist je eine Zone freizuhalten, die mindestens so breit wie der Durchmesser der aktiven Fläche ist. Zusätzlich muss das zu detektierende Metallobjekt mindestens eine Distanz aufweisen, die dem Dreifachen von Sn entspricht.

Wenn keine Freizonen gewährleistet werden können, sind bündig einbaubare induktive Sensoren die richtige Wahl.

Abb. 4: Induktive Sensoren: bündiger und nicht bündiger Einbau

Um Interferenzen oder Fehlschaltungen vorzubeugen, ist auch beim in Reihe schalten von induktiven Sensoren Vorsicht geboten.

Wenn bündige Sensoren nebeneinander eingebaut werden, ist zwischen ihnen ein Abstand von mindestens dem Durchmesser der aktiven Fläche einzuhalten.

Bei nichtbündigen Sensoren beträgt der einzuhaltende Abstand das Zweifache des Nennschaltabstands Sn.

Sofern induktiven Sensoren einander gegenüber positioniert werden, sollte bei allen Varianten ein Abstand von mindestens dem Achtfachen des Nennschaltabstands berücksichtigt werden.