Was sind kapazitive Sensoren und wofür werden sie verwendet?

Kapazitive Sensoren sind in der Industrie weit verbreitet. Sie sind auch eine praktische Alternative zu induktiven Sensoren. In diesem Artikel wird erläutert, was sie sind, wofür sie verwendet werden und was das Prinzip eines kapazitiven Sensors ist.

Professionelle kapazitive Sensoren messen eine Vielzahl industrieller Größen, z. B. die Menge von Granulat, den Füllstand von Flüssigkeiten oder die Befüllung von Tanks. Eine weitere Aufgabe der kapazitiven Sensoren ist die Erkennung von metallischen und nichtmetallischen Materialien in einem Stapel, wie z. B. Papierelemente oder Flüssigkeit in einem leitfähigen Element. Die Vielseitigkeit ist der große Vorteil dieser Sensoren.

Das Wesen der berührungslosen kapazitiven Sensoren ähnelt dem eines Kondensators und basiert auf der Messung von Kapazitätsänderungen. Der genannte Parameter ist ein Merkmal des elektrischen Feldes, das die Reaktion zwischen zwei leitenden Körpern auf eine angelegte Spannungsdifferenz beschreibt. In den folgenden Abschnitten werden wir die Messfunktionen und das Funktionsprinzip der Sensoren näher erläutern und die Komponenten mit induktiven Sensoren vergleichen.

Kapazitiver Sensor - was ist das?

Industrielle kapazitive Sensoren sind elektronische Wandler, die ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen, wenn sie in den Bereich ihres Magnetfeldes eintreten. Die Auswertung des Signals durch eine elektronische Schaltung und einen Mikroprozessor ermöglicht unter anderem die Erkennung von Materialien oder die Unterscheidung von Kunststoff, Metall und Holz.

Bauteile dieser Kategorie werden oft als kapazitive Näherungssensoren bezeichnet. Dies liegt an der Art ihrer Funktionsweise - sie reagieren empfindlich auf Veränderungen des EM-Feldes, die durch die Annäherung an ein anderes Objekt verursacht werden. Der Hauptunterschied zwischen kapazitiven und induktiven Näherungssensoren liegt in ihrem Aufbau.

Induktive Sensoren verwenden eine eingebettete Spule für die Erfassung, während kapazitive Sensoren aus einer Abdeckung bestehen, die eine Art Kondensator ist, und der Oberfläche des zu prüfenden Objekts. Im Gegensatz zu induktiven Sensoren sind kapazitive Sensoren weniger anfällig für Ausfälle und mechanische Beschädigungen.

Welche Materialien erkennt ein kapazitiver Sensor?

Eine der Hauptanwendungen eines kapazitiven Sensors ist die berührungslose Erkennung von elektrisch leitenden oder nicht leitenden Materialien. Am häufigsten werden kapazitive Sensoren zur Erkennung von Festkörpern - Kunststoffen, Metallgegenständen oder Holz - und verschiedenen Arten von Flüssigkeiten eingesetzt. Die Fähigkeit, Flüssigkeiten zu erkennen, bedeutet, dass die Sensoren verwendet werden, um den Füllstand und das Vorhandensein von Flüssigkeit in Flaschen zu messen.

Wie funktioniert ein kapazitiver Sensor?

Das Funktionsprinzip und die Anwendung von kapazitiven Näherungssensoren haben wir bereits kurz erläutert. Sensoren dieser Art funktionieren analog zu Kondensatoren. An die Elektroden des Sensors wird eine Wechselspannung angelegt, die die Bewegung von positiven und negativen Ladungen anregt - sie ändern ständig ihre Position. Es wird ein elektrisches Feld erzeugt, und die Veränderungen in diesem Feld sind das Wesentliche der Messung durch den Sensor.

Der Näherungssensor ist eine Abdeckung eines Kondensators. Die Oberfläche des zu messenden Objekts ist die andere Hülle. Die Kapazität im Messsystem ist direkt proportional zur Oberfläche der beiden Leiter und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen. Bei der Erkennung der Art von nichtmetallischen Objekten hilft dagegen die einfache Proportionalität zwischen der Kapazität und der Dielektrizitätskonstante des Materials.

Ein wichtiger Parameter, der die Messung beeinflusst, ist die Schaltfrequenz. Diese wird in der Regel mit einigen zehn Hertz angegeben, so dass kapazitive Sensoren nicht für den Einsatz in Messsystemen mit hoher Änderungsdynamik empfohlen werden. Die Standardempfindlichkeit von Sensoren liegt dagegen bei 1 V/0,1 mm, was eine Änderung der Ausgangsspannung von 1 V bei einer Änderung des Sensor-Objekt-Abstands um 0,1 mm bedeutet.

Bei der Entscheidung für einen Sensor sollte man die Aspekte berücksichtigen, die sich negativ auf die Messung auswirken. Einer der wichtigsten Faktoren, die die Qualität der Messungen beeinträchtigen, sind elektromagnetische Störungen und Verunreinigungen zwischen dem Sensor und dem Objekt. Diese können unter anderem die Änderung der Dielektrizitätskonstante beeinflussen. Auch die vom Hersteller angegebenen Temperaturgrenzen und die Korrosionsanfälligkeit sollten berücksichtigt werden.

Anwendung kapazitiver Sensoren in verschiedenen Branchen

Die Vielseitigkeit der kapazitiven Sensoren führt dazu, dass die Bauteile in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden. Man findet sie unter anderem in der Lebensmittel-, Automobil- oder Logistikbranche. Die Industrie ist jedoch der Hauptnutznießer ihrer Vorteile.

Die präzisen kapazitiven Näherungssensoren werden beispielsweise zur berührungslosen Erkennung von Verpackungsinhalten, zur Kontrolle von Flüssigkeiten in Flaschen oder zur Erfassung von Zuständen in Prozessen eingesetzt. Sie unterstützen auch die Erkennung der Produktausrichtung auf Förderbändern.