Kapazitive Sensoren

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Was sind kapazitive Sensoren? Definition:

Kapazitive Sensoren können metallische und nicht-metallische Materialien erfassen. Die Messung erfolgt berührungslos durch die Veränderung der Kapazität eines elektrischen Kondensators.


Physikalische Grundlagen

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 das 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 = ɛA/d
ɛ = Permittivität des Dielektrikums

Funktionsweise

Beispiel: Kapazitive Sensoren der Serie KS von WayCon

Messprinzip

Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. Ein kapazitiver Sensor ist mit einem klassischen Plattenkondensator vergleichbar. Dabei bildet der Sensor die eine Platte und das Messobjekt die Andere. Die Sensor- 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 Sensor und 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, das 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.

Temperatureinfluss

Im Wesentlichen beeinflusst die Temperatur nur die Längendehnung des Sensormaterials. Um die Längendehnung möglichst gering zu halten, ist es möglich bei der Herstellung der Sensoren Invar zu verwenden. Die höchste Betriebstemperatur ist jedoch durch den Schmelzpunkt des Lötmaterials im Stecker begrenzt. Messungen bei Tiefsttemperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts wurden erfolgreich durchgeführt.

Dielektrizitätszahl

Die Dielektrizitätszahl εr ist die Größe, in welchem Maß ein Isolierstoff die Kapazität eines Kondensators beeinflusst. Die Dielektrizitätszahl ist der Quotient der Kapazitäten ε und ε0. ε ist die Kapazität, wenn der Raum zwischen den Elektroden mit dem Isolierstoff gefüllt ist, ε0 ist die Kapazität der gleichen Elektrode im Vakuum.

Messungen in Flüssigkeiten

Messungen in Flüssigkeiten sollten nur in Sonderfällen vorgenommen werden, da nicht nur Verunreinigungen, sondern auch Gasblasen das Messergebnis verfälschen können. Außerdem entspricht der wirkliche Abstand dem mit der relativen Dielektrizitätskonstante 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.

Sonstige Einflüsse auf das Messergebnis

Magnetische Felder beeinflussen die Messung nur, wenn sie direkt auf den Messaufbau einwirken. Ein kapazitiver Sensor kann für Umgebungen mit magnetischen Feldern aus nichtmagnetischem Material wie z.B. Titan gefertigt werden. Radioaktive Strahlung hat keinen Einfluss auf die Messung.

Anwendungen

Durch die hohe Flexibilität bei der Sensorgröße, können kapazitive Sensoren in vielen Bereichen ihre Anwendung finden.
Typische Anwendungen sind zum Beispiel:

Bremsscheiben
Bremsscheiben von Fahrzeugen werden hohen Belastungen ausgesetzt, wie extremen Temperaturentwicklungen und mechanischen Abreibungen. Kapazitive Sensoren messen hierbei die auftretenden Verformungen an den Bremsscheiben.
Turbinen
Die Fliehkräfte, die bei Betrieb auf die Turbinenschaufeln ausgeübt werden, führen zur Ausdehnung der Turbinenschaufeln. Dies kann durch einen kapazitiven Sensor erfasst werden, wodurch Unwuchten, die die Turbine aus dem Gleichgewicht bringen würden, erkannt werden können.
Rundlauf von 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 zum Ausbrechen der Welle führen. Konzentrizitätsmessungen mittels eines kapazitiven Sensors geben Aufschluss, ob die Welle konzentrisch gefertigt wurde, bzw. ob und inwiefern sie sich bei Belastungen verformt.

Hersteller

Balluff
ifm electronic
WayCon
Dietz Sensortechnik
Sagatron


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