Kapazitive Sensoren

Kapazitive Sensoren glänzen in industrieller Umgebung

Kapazitiven Wegsensoren hängt noch immer der Ruf an, vor allem für saubere und trockene Umgebung geeignet zu sein. Doch als industrieoptimierte Ausführungen, wie sie Micro-Epsilon in der CapaNCDT-Serie konzipiert hat, bringen kapazitive Sensoren in industriellen Anwendungen wahre Höchstleistungen. Sie messen auch in industrieller Umgebung mit höchster Präzision bis in den Submikrometerbereich. Sie sind temperaturstabil, robust und flexibel und somit auch in Umgebungen mit wechselnden Temperaturen oder mit Magnetfeldern einsetzbar.

Kapazitives Messprinzip

Kapazitive Sensoren messen Änderungen in einer elektrischen Eigenschaft, die als Kapazität bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit eines Körpers oder von Leiteranordnungen elektrische Ladung zu speichern. Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon basieren auf dem Prinzip des idealen Plattenkondensators. Das elektrische Feld befindet sich hier ausschließlich zwischen den beiden leitenden Objekten im aktiven Messbereich, also zwischen dem Sensor und dem leitfähigen Messobjekt. Die Sensorelektrode wird mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz und Amplitude gespeist, wodurch die Amplitude der resultierenden Spannung proportional zum Abstand der beiden Objekte ist.

Triaxial misst genauer

Im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Sensoren, sind Micro-Epsilon Sensoren nicht koaxial, sondern triaxial aufgebaut. Dies bedeutet, dass der Kondensator nicht einfach nur von einem Gehäuse umgeben wird, sondern zusätzlich ein gesondert gespeister Schutzring zwischen Kondensator und Gehäuse angebracht ist, der seinerseits ebenfalls ein elektrisches Feld erzeugt. Zwischen der Messelektrode und der Objektoberfläche entsteht dadurch ein homogenes Feld. Eine Ausbreitung auf andere leitfähige Objekte in der Nähe oder auf andere Bereiche des Targets wird durch das Schutzfeld um die Messelektrode unterbunden. Somit wird verhindert, dass andere Objekte die Messung beeinflussen. Dieser triaxiale Aufbau macht die Sensoren robuster und deutlich genauer. Die Linearität ist wesentlich höher und Störungen des Messfeldes werden zuverlässig verhindert. Zudem können diese Sensoren bündig in leitende Materialien eingebaut werden, ohne Messfehler zu erzeugen.

Messobjekte

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Kapazitive Sensoren können zur Abstandsmessung auf verschiedenen Werkstoffen eingesetzt werden, sind aber am genauesten bei elektrisch leitfähigen Messobjekten. Das elektrische Feld dringt in diesem Fall nicht in das Messobjekt ein, so dass selbst auf dünnen Schichten, wie z. B. einer 10 µm dicken leitfähigen Farbe, präzise Ergebnisse erzielt werden können. Auch viele Halbleiter, wie z. B. Siliziumwafer, können genauestens gemessen werden. Durch Anpassungen, wie einer reduzierten Betriebsfrequenz, werden auch bei Halbleitern mit schwacher Leitfähigkeit gute Ergebnisse erzielt.

Kapazitive Sensoren können sogar zum Erfassen von elektrischen Isolatoren verwendet werden. Die elektrischen Feldlinien des Sensors durchdringen nicht leitendes Material, aber eine spezielle elektronische Schaltung und spezifische Werkskalibrierungen kompensieren dieses Verhalten, so dass Entfernungsmessungen auf Isolatoren möglich sind, wenn auch mit geringerer Genauigkeit. Die Dicke von Isolatoren kann gemessen werden, wenn leitendes Material unterliegt. Der gemessene Blindwiderstand ändert sich mit der Dicke des Isolators, da die Feldlinien den Isolator durchdringen und mit dem Leiter schließen.

Messungen auf allen Messobjekten

  • Leitende Messobjekte: Metalle, Graphit, Silizium, CFK, Wasser
  • Nicht leitende Messobjekte: Kunststoffe (auch GFK, glasfaserverstärkter Kunststoff), Keramik, Steatit, Porzellan, Glas, Klebstoffe, Harze, Öle, Gelatine

Dielektrischer Einfluss

Diese Situation verdeutlicht einen wichtigen Aspekt der kapazitiven Sensorik. Das Material im Spalt zwischen einem kapazitiven Sensor und seinem Messobjekt beeinflusst die Messung. Dies liegt daran, dass die gemessene Kapazität direkt mit der Dielektrizitätskonstante des Spaltmaterials korreliert. Mit steigender Dielektrizitätskonstante steigt auch der Kapazitätswert des Sensors.

Dies hat Auswirkungen auf die Struktur eines kapazitiven Sensorsystems. Maximale Messgenauigkeit wird in sauberen Labor-Reinraumumgebungen erreicht. In solchen Einsatzgebieten können CapaNCDT-Sensoren Auflösungen bis zu 0,0375 nm, Linearitäten von 0,1 µm und Reproduzierbarkeiten von 0,0003 % d.M. (des Messbereichs) liefern. Submikrometergenaue Präzision kann jedoch auch in industriellen Umgebungen erreicht werden. Dort kann die Sensorstirnseite mit einer Schutzkappe versehen werden, um das Messsystem vor rauen Umgebungen zu schützen. In diesem Fall korrigiert ein einfacher, konstanter Offset-Abgleich die dielektrischen Effekte der Kappe auf die Messergebnisse.

Industrielle Anwendungsbeispiele

Magnetfeldunempfindlich: Luftspaltmessung in großen Elektromotoren

Die Vorteile der industrieoptimierten Sensoren zeigen sich unter anderem bei großen Elektromotoren wie sie in Gesteinsmühlen zur Zementherstellung oder beim Abbau von Erzen verwendet werden. Der Rundlauf dieser Anlagen muss ständig überprüft werden. Die Motoren mit Durchmessern von über 10 m nehmen großen Schaden, wenn der Rotor den Stator berühmt. Daher wird der sogenannte Läuferspalt, der Abstand zwischen Rotor und Stator, durch kapazitive Wegsensoren ständig überwacht. Die wechselnden magnetischen Felder haben dank des triaxialen Aufbaus und der Verwendung von nicht-magnetischen Materialien wie Titan oder Edelstahl keinen Einfluss auf das Messergebnis. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips besteht auch keinerlei physische Einwirkung auf Sensor oder Messobjekt, wodurch sich Langzeitstabilität ergibt. Verschiedene Sensorbauformen bis hin zu Flachsensoren ermöglichen darüber hinaus einen einfachen Einbau in diese extreme Umgebung, die nur wenig Platz bietet und flache Sensoren mit einer Höhe von maximal 2,5 mm erfordert. Eine weitere Herausforderung ist die große Kabellänge, die in der Regel rund 8 m betragen muss.

Messung des Walzenverschleißes über den Lagerspalt

Um den Verschleiß von Walzen zu ermitteln, werden kapazitive Wegsensoren eingesetzt. Dabei wird der Walzenverschleiß indirekt über die Veränderung des Lagerspalts der Antriebswelle gemessen. Dank der kapazitiven Sensoren erfolgt die Messung kontinuierlich und mit hoher Präzision. Der Verschleiß wird dadurch permanent ermittelt und frühzeitig erkannt, wodurch die Wartungsintervalle gezielt eingeplant werden können. Die kapazitiven Sensoren können auch bei starken Temperaturschwankungen eingesetzt werden und liefern eine hohe Signalstabilität.

Dickenmessung mit kapazitiven Sensoren

Zwei gegenüberliegend angebrachte kapazitive Sensoren ermöglichen eine zweiseitige Dickenmessung von elektrisch leitfähigen Werkstoffen. Mit dieser Methode lassen sich z.B. Banddicken bis in den μm-Bereich messen. Jeder der beiden kapazitiven Wegsensoren liefert ein lineares Abstandssignal, das der Controller als Dickenmesswert verrechnet. Der Messfleck der Sensoren ist größer als bei optischen Messverfahren, wodurch Strukturen und Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche gemittelt werden. Durch Verwendung der CapaNCDT Mehrkanal-Controller können auch mehrere Sensorpaare mit nur einem Controller verarbeitet werden.

Präzise Messung des Walzenspalts

Ausrichten von Walzen: Das Handmessgerät CapaNCDT MD6 detektiert Spalte in industrieller Umgebung mikrometergenau und wird z.B. zum Ausrichten von Walzen eingesetzt. Der zweiseitige Flachsensor ermittelt den Walzenspalt und wird sowohl bei der Inbetriebnahme als auch im Servicefall eingesetzt. Das Messsystem überzeugt durch seine hohe Genauigkeit und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gepaart mit intuitiver Bedienbarkeit. Eingesetzt wird es im Anlagen- und Maschinenbau, in Windkraftanlagen, bei Bau und Wartung von Turbinen und Triebwerken und im Prüfstand.

Inline-Überwachung des Walzenspaltes: Für eine permanente Überwachung des Walzenspalts werden kapazitive Flachsensoren mit Mehrkanal-Controllern betrieben. Somit können die Messwerte in die Steuerung übergeben werden, um die Absenkung der Walzen exakt nachzuregeln.

Wegmessung in Windkraftanlagen

Kapazitive Wegsensoren messen den Spalt zwischen Stator und Rotor (Generatorluftspalt), damit der Rotor den Stator nicht berührt. Die Sensoren bieten eine hohe Auflösung und funktionieren nach dem Prinzip der elektrischen Kapazität zwischen zwei nahe beieinander liegenden, leitenden Oberflächen.

Bei Abstandsänderung ändert sich auch die Kapazität. Der Sensor misst diesen Abstand, was für die Sicherheit und Wartung der Windkraftanlage äußerst wichtig ist. Diese Sensoren messen bei hohen Temperaturen und in den elektromagnetischen Feldern eines jeden Motors, was sie für Windkraftanlagen geeignet macht.

Figure 3: capaNCDT DTV sensors, protected from thermal and mechanical stresses by a special ceramic substrate, deliver highly accurate disc brake measurements even in the harsh environments of road tests. Source: Micro-Epsilon

Kapazitive Wegsensoren werden zur Messung des Luftspalts zwischen Stator und Rotor in Windkraftanlagen eingesetzt

Messungen im Teilchenbeschleuniger