Kapazitiver Sensor

Ein Kapazitiver Sensor oder auch als kapazitiver Näherungsschalter bezeichnet kann metallische und nicht-metallische Materialien erfassen. Die Messung erfolgt berührungslos durch die Veränderung der Kapazität eines elektrischen Kondensators.

Kapazitiver Sensorvon WayCon

Grundprinzip

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

Die Kapazität kann beeinflusst werden durch:

• eine Änderung des Plattenabstands, z. B. wenn eine Platte verschoben oder verformt wird
• ein Dielektrikum oder elektrisch leitendes Material, da die Platten dann starr sind und sich die Kapazität ändert
• Änderung der Plattenfläche, durch Verschieben der Platten gegeneinander
• die beeinflusste Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums (Beeinflussung durch den zu messenden Effekt)

Damit große und kleine Veränderungen erfasst werden können, wird die Messelektrode von einer Schirmelektrode umgeben. Diese hält den inhomogenen Randbereich des elektrischen Felds entfernt und sorgt so für ein paralleles elektrisches Feld zwischen Messelektrode und Gegenelektrode.

Das Funktionsprinzip von kapazitiven Sensoren

Funktionsweise

Messprinzip

Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung (siehe auch Hersteller im Bereich 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 Sensor 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:

Drucksensor

Der ausgewertete Sensoreffekt ist die Folge der Kapazitätsänderung durch das durchbiegen einer Membran und der daraus erzeugten Plattenabstandsänderung. Es muss darauf geachtet werden, dass eine Verarbeitungselektronik mit sehr hoher Empfindlichkeit eingebaut ist, da die Kapazitätsänderung.

Ein Druckunterschied zweier Flüssigkeiten oder Gase erfasst ein Differenzdrucksensor über einen Differenzialkondensator.

Abstandssensoren

Beim Abstandssensor wird die Kapazität durch den Abstand zwischen kapazitivem Abstandssensor und beweglicher Gegenfläche gebildet. Das Verfahren sollte nur bei kleinen Abständen angewendet werden (kleiner als der Sensordurchmesser), wie z. B. bei Näherungsschaltern, Spaltsensoren, zur Dicken- und Abstandsmessung oder in Rastertunnelmikroskopen. Abstandssensoren werden in Seilbahnen zur Lage der Seile benötigt, damit die Gondeln nicht entgleisen.

Näherungsschalter

Beim Näherungsschalter wird die Kapazität zwischen der Elektrode und dem elektrischen Erdpotential gemessen. Der Schaltabstand oder die Empfindlichkeit des Sensors wird mittels Potentiometer eingestellt.

Spaltsensoren

Spaltsensoren werden in Tandemanordnung zur Messung der Spaltweite zweier metallischer Bauteile verwendet. Ebenfalls werden sie in Turbomaschinen bei der Abstandsmessung (siehe auch Anbieter und Hersteller Abstandsmessung) zwischen den Maschinenteilen und dem Gehäuse eingesetzt.

Beschleunigungssensoren

Kapazitive Beschleunigungssensoren haben zwei Plattenkondensatoren mit einer gemeinsamen mittleren Platte. Bei einem Beschleunigungssensor ist die mittlere Platte wie ein federndes Pendel, das sich durch die Beschleunigung verschiebt. Dadurch ändert sich das Kapazitätsverhältnis der Kondensator.

Wegsensoren

Bei der Messung von größeren Wegen helfen kapazitive Wegsensoren. Sie bestehen aus der 1. Elektrode (einem Rohr) und einer 2. Elektrode (einem Metallstab), die in die 1. Elektrode eingeführt wird. Mit Veränderung der Eintauchtiefe des Stabes verändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Gemessen wird diese dann mit einer Wechselspannungsbrücke oder einem LC-Schwingkreis.

Winkelsensoren

Winkelsensor funktionieren nach dem Prinzip des Drehkondensators, bei dem die Kreissegmente sich zueinander ähnlich drehen.

Feuchtigkeitsmessung

Kapazitive Bodenfeuchtesensoren

Die Messung von Bodenfeuchte erfolgt durch ein Kunststoffrohr mit zwei Metallfolien, deren elektrische Kapazität gemessen wird. Hierbei muss auf die Dielektrizitätszahl der Umgebung und dem Wassergehalt geachtet werden, da beides Einfluss auf die Messung hat.

Kapazitive Hygrometer (zur Luftfeuchtigkeitsmessung)

Bei der Messung der Luftfeuchtigkeit wird ein Dielektrikum genutzt, das über Diffusion mit der Umgebung Wasserdampf austauscht bis sich ein Gleichgewichtszustand herauswirkt. Ein hoher Feuchtegehalt bedeutet eine hohe Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und daher auch hohe Kapazität.

Kapazitive Materialfeuchtemessung

Die Funktionsweise einer kapazitiven Materialfeuchtemessung gleicht der eines Kondensators. Über die Änderung der Dielektrizitätskonstante (Permittivität), unter Zunahme des Wassergehalts einer Probe, kann ein Rückschluss auf die Materialfeuchte gezogen werden.

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. Einsatz finden kapazitive Sensoren zudem auch bei Piezoaktoren.

Messverfahren

Die kleinen elektrischen Kapazitäten werden mit drei verschiedenen Verfahren gemessen:

• Bei Gleichspannung messen Ladungsverstärker und erfassen kleine, schnelle Änderungen
• Amplitudenmodulierte Systeme
• Frequenzmodulierte Systeme

Hersteller

Die Hersteller bieten verschiedene Produkte in diversen Preisklassen an. Wichtige Entscheidungspunkte neben dem Preisvergleich sind:

1. Betriebsspannung & max. Betriebsspannung (Angaben in V/DC)
2. Kategorie & Typ
3. Schaltabstand
4. Anschlüsse
5. Temperaturen

• ACO Automation Components ist ein global agierender Hersteller für Inline- und Online- Feuchtemesssysteme
• Balluff bietet Kapazitive Sensoren für hohe Applikationssicherheit und zuverlässige Objekt- und Füllstandserfassung an. Die Sensoren messen und erfassen Flüssigkeiten, Pulver oder Granulate.
• ifm electronic stellt u.a. kapazitive Sensoren aus der Produktgruppe der IO-Link-Positionssensor (siehe auch Hersteller Positionssensoren) her, die digital verbunden werden können.
• Leuze Electronic bietet verschiedene kapazitive Sensoren an: zylindrisch, kubisch, PTFE- oder IO-Link-Sensoren. Schaltabstände, Ausgangsfunktionen und Durchmesser unterscheiden sich dabei.
• WayCon bietet unter anderem die Kapazitiven sensoren KS an. Sie sind für verschiedene Messbereiche geeignet und entsprechen der Schutzklasse IP68.
• Dietz Sensortechnik Sensoren sind in verschiedenen Bauformen und Materialien zu erwerben. Sie haben Schalt- oder Analogausgänge und sind in den Ausführungen Gleichstrom- oder Wechselstrom erhältlich.
• Sagatron hat sich auf die Bereiche induktive, kapazitive Sensoren und Drucksensor spezialisiert.
• Micro-Epsilon: Die Kapazitiven Sensoren sind optimal für die Weg-, Abstands- und Positionsmessung. Die Sensoren sind für Industrie und Labore für Vakuum und UHV geeignet.

Online-Shops & Preise

• Conrad: Die Preise für einzelne Produkte variieren je nach Größe, Hersteller und Stückzahl - Conrad bietet kapazitive Sensoren ab 25Euro an.
• Automation24
• Steuerungsshop