Was ist das Funktionsprinzip eines induktiven Näherungssensors?

Wie funktioniert ein induktiver Näherungssensor?

Wenn Sie schon einmal eine Fabrik besucht oder eine Produktionslinie in Betrieb gesehen haben, sind Ihnen vielleicht kleine, rechteckige Geräte in der Nähe von Förderbändern oder Roboterarmen aufgefallen. Dies sind Näherungssensoren: der induktiv-Nahensensor ist eine der häufigsten Arten. Aber wissen Sie, was ein induktiver Näherungssensor eigentlich ist? Es ist einfacher, als Sie denken! Gehen wir Schritt für Schritt durch den Sensor, damit Sie verstehen, warum er ein hervorragendes Werkzeug zur Erkennung von metallischen Objekten ist.

Induktive Näherungssensoren arbeiten, ohne Licht, Schall oder direkten Kontakt zu benötigen. Sie automatisieren die Erkennung einfach durch elektromagnetische Induktion – ein Prinzip, das sich im Laufe der Zeit bewährt hat. Diese Sensoren bestimmen zuverlässig das Vorhandensein von Metallen bei verschiedenen Aufgaben der industriellen Automatisierung. Sie verhindern Roboterzusammenstöße, wenn Arme in der Nähe von Metallteilen bewegt werden, und sortieren sowie zählen Metallprodukte auf Förderbändern. Um den Wert dieser Sensoren in der industriellen Automatisierung richtig einschätzen zu können, ist es wichtig, die Grundlagen der Sensoren, die dahinterstehende Technik und Physik sowie die Umwandlung von Änderungen eines Magnetfelds in nutzbare Signale zu verstehen.

Kernkomponenten, die den Betrieb ermöglichen

Das Funktionsprinzip hängt von den verschiedenen Bestandteilen eines induktiven Näherungssensors ab. Es handelt sich um ein System aus mehreren Komponenten, die synchron arbeiten müssen. Um das System zu verstehen, bedenken Sie, dass es vier grundlegende Elemente gibt, die jeder Sensor aufweist. Diese grundlegenden Teile müssen zusammenarbeiten, damit der Sensor funktioniert.

Die erste Komponente ist der Oszillator. Stellen Sie sich dies als die magnetische „Energiequelle“ des Sensors vor. Er erzeugt einen hochfrequenten Wechselstrom —typischerweise im Kilohertz-Bereich —und der Strom wechselt seine Richtung schnell hin und her. Danach folgt die Detektionsspule, die normalerweise aus einer feinen, hochwertigen Drahtwicklung (z. B. Kupfer) besteht, die um einen Ferritkern gewickelt ist. Wenn der Oszillator Wechselstrom durch die Spule leitet, erfüllt die Spule eine wichtige Funktion: Sie erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld um sich herum. Es ist wie eine kleine, unsichtbare „Blase“ aus Magnetismus, die die vordere Fläche des Sensors umgibt.

Der nächste Schritt ist die Konstruktion der Verstärkerschaltung. Diese Komponente hat die Aufgabe, auf Änderungen im Magnetfeld zu "lauschen". Wenn etwas dieses Feld stört – worum es sich bei diesem „Etwas“ handelt, werden wir gleich behandeln – ändern sich auch die elektrischen Eigenschaften der Spule —und diese Änderungen sind gering. Der Verstärker verstärkt diese kleinen Änderungen, damit sie für den nächsten Verarbeitungsschritt deutlich ausgeprägter sind. Der letzte Teil ist die Ausgabeschaltung. Wenn das verstärkte Signal diesen Teil erreicht, ermittelt die Schaltung, ob ein metallisches Objekt vorhanden ist, und sendet ein Signal – normalerweise digital (Ein/Aus) – an die Maschine, mit der sie verbunden ist, um beispielsweise ein Förderband anzuhalten, einen Roboterarm zu bewegen oder einen Zählerstand um eins zu erhöhen.

Chenwei Automation hat die Kernkomponenten so konzipiert, dass induktive Näherungssensoren mit optimierten Eigenschaften ausgestattet sind. Beispielsweise wird die Detektionsspule aus hochwertigen Kupferdrähten hergestellt, um eine konstante und genaue Erkennung zu gewährleisten. Der Sensor würde nicht funktionieren, wenn eine dieser Komponenten fehlt, und das gilt für alle Komponenten. Sie sind aufeinander sowie mit den übrigen Systemen abgestimmt.

Elektromagnetische Induktion: Die Grundlagen

Nachdem wir die Komponenten behandelt haben, betrachten wir nun die zentrale Komponente, die das gesamte System ermöglicht: die elektromagnetische Induktion. Dieses Konzept wurde im 19. Jahrhundert von dem englischen Wissenschaftler Michael Faraday entwickelt und bildet die Grundlage für die Funktionsweise von Generatoren und Transformatoren. Wir werden nun das Arbeitsprinzip im Kontext induktiver Näherungssensoren betrachten.

Die Detektionsspule erhält hochfrequenten Wechselstrom. Wenn der Strom abwechselnd in die eine und dann in die entgegengesetzte Richtung fließt, erzeugt die Spule wechselnde magnetische Felder. Dies ist die „unsichtbare“ magnetische „Blase“, die sich vom Näherungssensor bis zu einem maximalen Abstand von 30 mm ausdehnt, wenn der Sensor aktiviert ist. Wenn der Sensor nicht aktiviert ist, befindet sich das Feld in Ruhe und bleibt konstant. Das Fehlen eines magnetischen Felds zeigt an, dass sich ein metallisches Objekt in der Nähe des Sensors befindet. In diesem Zustand ist der Oszillator aktiv, die Impedanz der Spule ist konstant und es treten keine Schwankungen auf.

Hier kommt das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion zum Einsatz. Wenn ein Leiter, also ein Metall, einem sich verändernden Magnetfeld ausgesetzt wird, entsteht aufgrund dieser Änderung ein fließender Strom. Dieser Strom ist ein Wirbelstrom, ein Strom, der spiralförmig fließt und sich selbst umkreist. Stellen Sie sich vor, wie Wasser in einer Pfütze mit Wirbeln strudelt. Diese Wirbelströme erzeugen ein eigenes Magnetfeld, das die entgegengesetzte Polarität zu dem des Spulenfeldes im Sensor besitzt. Dies ist das Lenzsche Gesetz und Teil der Elektrodynamik. Anstelle eines konstanten Magnetfeldes entsteht nun in der Spule ein sogenanntes "Gegenfeld", das durch den Wirbelstrom hervorgerufen wird.

Änderungen im gegensätzlichen Magnetfeld beeinflussen, wie die Detektionsspule funktioniert. Erinnern Sie sich an die Definition der Spulenimpedanz? Wenn das gegensätzliche Magnetfeld mit der Spule interagiert, steigt die Impedanz. Es wird für die Spule schwieriger, den Wechselstrom des Oszillators aufzunehmen, und der Oszillator kann aufgrund des erhöhten Widerstands schwächer werden oder langsamer laufen. Dieses Phänomen —eine Zunahme der Impedanz oder eine Abnahme der Oszillatorleistung —ist vermutlich das einzige, was die Verstärkerschaltung des Sensors registriert. Es ist durchaus sinnvoll zu schließen, dass der Sensor anzeigt: „Es ist ein metallisches Objekt vorhanden!“

So erkennt es metallische Objekte (Der entscheidende Trick)

Wir haben festgestellt, dass ein metallisches Objekt den Strom beeinflusst und das magnetische Feld des Sensors stört. Wie wandelt der Sensor diese Störung um und signalisiert dem Controller, ob ein "Objekt vorhanden" oder "kein Objekt vorhanden" ist? Dies ist die Funktion der restlichen Schaltung und der Grund, warum induktive Näherungssensoren in der Industrie als zuverlässig gelten. Betrachten wir ein Beispiel: Stellen Sie sich ein Gerät über einem Förderband vor, das metallene Muttern transportiert. Wenn sich keine Mutter in der Nähe des Sensors befindet, verzerren sich die magnetischen Felder um die Mutter nicht. Die Impedanz der Spule bleibt niedrig, die Betriebsstärke des Oszillators bleibt hoch, und der Verstärker registriert keine nennenswerten Änderungen. Die Ausgabeschaltung behält ihren „normalen“ Zustand bei, und das System sendet ein „niedriges“ Signal an das Förderbandsystem, um diesem mitzuteilen, dass es weiterlaufen soll.

Eine Metallmutter gleitet unter den Sensor und tritt in dessen Erfassungsbereich ein. In der Mutter werden Wirbelströme induziert, und ein entgegengesetztes magnetisches Feld wird erzeugt. Die Impedanz der Spule verändert sich, und der Oszillatorstrom nimmt ab. Der Verstärker erfasst die Änderung des Stroms (oder die abnehmende Impedanz) und verstärkt sie. Dieses verstärkte Signal wird an die Ausgabeschaltung gesendet, die mit einer „Schwelle“ konfiguriert ist. Dies ist eine Grenzlinie, die beim Überschreiten eine Aktion auslöst. Die Schwelle wird überschritten, und der Zustand der Ausgabeschaltung ändert sich: Sie sendet ein „hohes“ Signal an das Steuersystem. Dieses Signal kann beispielsweise den Förderband vorübergehend anhalten, damit ein Roboterarm die Mutter greifen kann, oder es könnte einen Zähler erhöhen, der die bearbeiteten Muttern zählt.

Folgendes sollten Sie wissen: Induktive Näherungssensoren reagieren nur auf bestimmte Materialien —und das sind hauptsächlich Metalle wie Stahl, Aluminium und Kupfer. Sie erfassen Nichtmetalle wie Kunststoff, Holz oder Glas überhaupt nicht, da diese Materialien schwach leitfähig sind. In vielen Fabriken ist dies jedoch ein großer Vorteil. Wenn Sie beispielsweise Metallteile in Kunststofftaschen (die nicht metallisch sind) verpacken, kann der Sensor die Tasche ignorieren und nur das Metall erfassen. Die induktiven Näherungssensoren von Chenwei Automation sind hierfür besonders gut geeignet. Sie können sogar eng beieinander liegende metallische und nicht-metallische Objekte unterscheiden, wodurch Produktionsstörungen durch Fehlsignale vermieden werden.

Ein weiterer Aspekt, der zu verstehen ist, betrifft die Art und Größe des Metalls, die die Erkennungsreichweite beeinflussen. Eine große Stahlplatte wird beispielsweise aus größerer Entfernung erkannt als eine kleine Aluminiumschraube, da größere metallische Flächen stärkere Wirbelströme erzeugen. Dies stellt jedoch selten ein Problem dar. Die meisten industriellen Sensoren sind so konzipiert, dass sie mit verschiedenen Metallarten funktionieren, sodass Sie den Sensor nicht jedes Mal wechseln müssen, wenn sich das zu erkennende Bauteil ändert.

Praktische Funktionslogik in industriellen Szenarien

Es ist wichtig zu verstehen, wie die verschiedenen Komponenten im naturwissenschaftlichen Kontext funktionieren, um einen Überblick über die Logik hinter verschiedenen industriellen Anwendungen in einem Produktionsbetrieb zu erhalten. Wir werden einige Abbildungen nutzen, um das Arbeitsprinzip zu erläutern. Dies erklärt die Beliebtheit der induktiven Näherungssensoren im Bereich der Automatisierung.

Nehmen wir als Beispiel einen Hersteller von Autoteilen. Möglicherweise wird an einer Montagelinie, die Metallschrauben an Motorblöcken befestigt, ein induktiver Näherungssensor des Unternehmens Chenwei Automation verwendet. Der Sensor befindet sich am Roboterarm, der die Schraube hält. Bevor der Arm zur Befestigung der Schraube am Motorblock fährt, muss der Sensor bestätigen, dass der Arm tatsächlich eine Schraube hält. Falls der Arm leer ist, würde er nur Zeit verschwenden, indem er ins Leere dreht, oder möglicherweise den Motorblock beschädigen. Folgendes passiert: Wenn der Arm eine Schraube aufnimmt, befindet sich diese innerhalb des Erfassungsbereichs des Sensors. Wirbelströme bilden sich auf der Schraube, die Impedanz der Spule verändert sich, und der Sensor sendet ein Signal „Schraube vorhanden“ an die Robotersteuerung. Die Steuerung befiehlt dann dem Arm, sich zum Motorblock zu bewegen und den Verschraubungsvorgang zu starten. Wenn keine Schraube vorhanden ist, sendet der Sensor ein Signal „keine Schraube“, und die Steuerung stoppt den Arm, wodurch ein Fehler vermieden wird.

Ein weiteres Beispiel wäre eine Verpackungslinie für Metalldosen. Die Dosen werden auf einem Förderband transportiert und müssen mit Limonade befüllt und verschlossen werden. Ein induktiver Näherungssensor ist in der Nähe der Fülldüse angebracht. Wenn sich eine Dose unter der Fülldüse positioniert, erkennt der Sensor die metallische Struktur der Dose und aktiviert das Befüllsystem. Während die Dose befüllt wird, erkennt der Sensor das Fehlen der Dose und signalisiert der Fülldüse, den Vorgang zu stoppen. Dieses System ist darauf ausgelegt, Dosen zu erkennen und nachzufüllen, wodurch sichergestellt wird, dass auch bei Hochgeschwindigkeitsproduktion keine Limonade verschwendet wird.

Erneut liegt die erforderliche Ansprechzeit des Sensorsystems im Millisekundenbereich. Dies ist entscheidend, um die gewünschten Produktionsraten aufrechtzuerhalten. Wenn das Sensorsystem auch nur eine Sekunde zum Antworten benötigen würde, würde dies einen Fehler im Produktionsprozess signalisieren. Um solche Probleme zu vermeiden, entwickelt Chenwei Automation ihre Sensoren so, dass sie in Echtzeit auf die Bewegungen von Hochgeschwindigkeits-Robotersystemen und Förderbändern reagieren. Die meisten Sensortechnologien können durch staubige Umgebungen gestört werden, nicht jedoch die induktiven Näherungssensoren. Diese vertragen Schmutz und Feuchtigkeit und arbeiten weiterhin unter rauen Bedingungen zuverlässig. Die Sensoren stellen ihren Betrieb erst ein, wenn die Magnetfelder innerhalb des Sensors wechselwirken und ihn dadurch deaktivieren.

Ein weiterer erwähnenswerter Aspekt ist, dass diese Sensoren „berührungslos“ sind. Das bedeutet, dass sie ein metallisches Objekt erkennen können, ohne es berühren zu müssen. Dies ist ein Vorteil gegenüber mechanischen Schaltern, bei denen sich die berührenden Teile im Laufe der Zeit abnutzen. Induktive Näherungssensoren berühren nichts, weshalb sie über einen längeren Zeitraum hinweg halten und nur sehr wenig Wartung erfordern. Dies ist wichtig für Fabriken, die rund um die Uhr betrieben werden, da dadurch eine höhere Verfügbarkeit gewährleistet wird und die Kosten für Ersatzteile reduziert werden.