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ObjekterkennungAusgereifte Sensortechnik für alle Bereiche der Automation
934
Grundlagen und Definitionen
935■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInhalt
Allgemeine Grundlagen
Elektrisch 936
Qualität 937
Mechanisch 940
Spezifische Grundlagen
Optoelektronische Sensoren 942
Ultraschall Sensoren 952
Induktive Sensoren 954
Kapazitive Sensoren 968
Magnetische Zylindersensoren 976
936
Grundlagen und DefinitionenElektrische Eigenschaften
Kleinster Biegeradius
Spezialkabel
Kabeltypen
Das SP-Kabel ist ein strahlenvernetztes PUR-Kabel, das eine gute
Beständigkeit gegenüber Schweißspritzern aufweist. Für hohe
Umgebungstemperaturen werden spezielle temperaturfeste Kabel
verwendet.
Das zulässige Anzugsdrehmoment wird in den Datenblättern oder
auf den Sensorverpackungen angegeben.
Anzugsdrehmomente
PUR-Kabel, PUR-ummantelt
PVC-Kabel, PVC-ummantelt
bewegt unbewegt Kabelschlepp und
Rollenumlenkung
4×D 3×D 4×D...7,5×D nur
bei Leitung „SP“
Anzahl der Leiter ×
Leiterquerschnitt
Außendurchmesser
typisch
2×0,14 mm² 2,5...3,5 mm
2×0,34 mm² 4,5...5,5 mm
3×0,14 mm² 2,7...4,5 mm
3×0,25 mm² 4...5 mm
3×0,34 mm² 4,5...5,5 mm
4×0,25 mm² 4,5...5,5 mm
Anzahl der Leiter ×
Leiterquerschnitt
Außendurchmesser
typisch
2×0,08 mm² 3...4 mm
2×0,14 mm² 3...4,1 mm
2×0,34 mm² 4...5,5 mm
3×0,06 mm² 2...2,5 mm
3×0,09 mm² 2,5...3 mm
3×0,14 mm² 2,5...3,5 mm
3×0,25 mm² 3,5...4,5 mm
3×0,34 mm² 4...5,5 mm
3×0,75 mm² 6,5...7 mm
4×0,14 mm² 3...4 mm
4×0,25 mm² 4...5,5 mm
8×0,25 mm² 6...8 mm
Kabeleigenschaften
937■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenQualität
Allgemeine GrundlagenElektrischMechanisch
Qualität
Spezifische Grundlagen
Qualität und Umwelt
Qualitätsmanagement -
System nach
DIN EN ISO 9001:2008
Umweltmanagement -
System nach
DIN EN ISO 14001:2009
Prüflabor
Balluff Produkte entsprechen
den EU-Richtlinien
Produktzulassungen
Balluff Unternehmen
Balluff GmbH Deutschland
Balluff SIE Sensorik GmbH Deutschland
Balluff Controles Elétricos Ltda. Brasilien
Balluff Sensors (Chengdu) Co., Ltd. China
Balluff Ltd. Großbritannien
Balluff Automation S.R.L. Italien
Balluff Canada Inc. Kanada
Balluff de México S.A. de C.V. Mexiko
Balluff GmbH Österreich
Balluff Sp. z o.o. Polen
Balluff Hy-Tech AG Schweiz
Balluff Sensortechnik AG Schweiz
Balluff S.L. Spanien
Balluff CZ, s.r.o Tschechische Republik
Balluff Elektronika Kft. Ungarn
Balluff Inc. USA
Produktzulassungen werden von nationalen und internationalen Insti-
tutionen vergeben. Mit deren Prüfzeichen bestätigen wir, dass unsere
Produkte den Anforderungen dieser Institutionen entsprechen.
„US Safety System“ und „Canadian Standards Association“
unter Federführung der Underwriters Laboratories Inc. (cUL).
CCC-Zeichen durch die chinesische CQC.
Für Produkte mit Kennzeichnungspflicht wird ein Konformitäts-
bewertungsverfahren entsprechend der EU-Richtlinie durchgeführt
und das Produkt mit dem CE-Zeichen gekennzeichnet.
Balluff Produkte fallen unter folgende EU-Richtlinie:
Balluff Unternehmen
Balluff GmbH Deutschland
Balluff Sensors (Chengdu) Co., Ltd. China
Balluff Elektronika KFT Ungarn
2004/108/EG EMV-Richtlinie
2006/95/EG Niederspannungsrichtlinie gültig für
Produkte mit Versorgungsspannung
≥ 75 V DC/≥ 50 V AC
94/9/EG ATEX-Richtlinie gültig für Produkte
mit Ex-Kennzeichnung
Das Balluff Prüflabor arbeitet nach ISO/IEC 17025 und ist von der
DAkks für Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
akkreditiert.
938
Grundlagen und DefinitionenElektrische Eigenschaften
Elektromagnetische
Verträglichkeit (EMV)
Umweltsimulation
Ex-Bereich
Normen
Niederspannungsschaltgeräte EN 60947-5-2/IEC 60947-5-2
NAMUR-Sensoren EN 60947-5-6/IEC 60947-5-6
Schwingen, sinusförmig EN 60068-2-6/IEC 60068-2-6
Schocken EN 60068-2-27/IEC 60068-2-27
Dauerschocken EN 60068-2-29/IEC 60068-2-29
Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährde-
te Bereiche – allgemeine Bestimmungen.
EN 50014
Nachfolger:
Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsge-
fährdete Bereiche – allgemeine Anforderungen.
EN 60079-0
Elektrische Betriebsmittel für explosionsfähige
Bereiche – Eigensicherheit „i“.
EN 50020
Konformität siehe Produktkennzeichnung.
Störaussendungen (Emissionen),
Funkstörspannung und Funkstörstrahlung
von elektrischen Betriebsmitteln
EN 55011
Störfestigkeit gegen Entladung statischer
Elektrizität (ESD)
EN 61000-4-2/IEC 61000-4-2
Störfestigkeit gegen hochfrequente
elektromagnetische Felder (RFI)
EN 61000-4-3/IEC 61000-4-3
Störfestigkeit gegen schnelle transiente
Störgrößen (Burst)
EN 61000-4-4/IEC 61000-4-4
Störfestigkeit gegen leitungsgeführte Störgrößen,
induziert durch hochfrequente Felder
EN 61000-4-6/IEC 61000-4-6
Störfestigkeit gegen Spannungseinbrüche
und Spannungsunterbrechungen
EN 61000-4-11/IEC 61000-4-11
Stoßspannungsfestigkeit EN 60947-5-2/IEC 60947-5-2
II � EN 60947-5-2/IEC 60947-5-2
IP 60...67 EN 60529/IEC 60529
IP 68 nach BWN Pr. 20 Balluff Werksnorm (BWN): Temperaturlagerung
48 h bei 60 °C, 8 Temperaturzyklen nach
EN 60068-2-14/IEC 60068-2-14 zwischen
den Ecktemperaturen nach Datenblatt,
1 h Wasserlagerung, Isolationsprüfung,
24 h Wasserlagerung, Isolationsprüfung,
8 Temperaturzyklen nach EN 60068-2-14 IEC
60068-2-14 zwischen den Ecktemperaturen nach
Datenblatt, 7 Tage Wasserlagerung, Isolationsprüfung.
P 68 nach BWN Pr. 27 Balluff Werksnorm (BWN): Prüfung für Produkte
zum Einsatz in der Lebensmittelindustrie.
IP 69K DIN 40050 Teil 9: Schutz gegen Eindringen
von Wasser bei Hochdruck- bzw. Dampfstahl-
reinigung.
Sensoren
Schutzklasse
Schutzart
939■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenElektrische Eigenschaften
Befestigungsdrehmomente
Gehäusetoleranzen
zylindrischer Sensoren
ohne Gewinde
Baugröße Material Drehmoment
M5×0,5 Edelstahl, rostfrei 3 Nm
M8×1 Edelstahl, rostfrei 15 Nm
M12×1 Edelstahl, rostfrei 40 Nm
M18×1 PBT 1 Nm
M18×1 Edelstahl, rostfrei 60 Nm
M30×1,5 PBT 3 Nm
M30×1,5 Edelstahl, rostfrei 90 Nm
Durchmesser Toleranz
Ø 3 mm –0,1
Ø 4 mm –0,1
Ø 6,5 mm –0,15
Ø 8 mm –0,15
Schutzart
Damit die Sensoren beim Einbau mechanisch nicht zerstört werden,
sind die nachfolgenden Drehmomente zu beachten, soweit keine
anderen Angaben auf dem Datenblatt oder der Sensorverpackung
angegeben sind.
Die Schutzarten werden
nach IEC 60529 angegeben.
Kennbuchstaben IP (International
Protection), Berührungs-,
Fremdkörper- und Wasserschutz
für elektrische Betriebsmittel.
IP 69K
Schutz gegen Eindringen
von Wasser bei Hochdruck-
bzw. Dampfstrahlreinigung
nach DIN 40050 Teil 9.
Erste Kennziffer
2 Schutz gegen Eindringen von
festen Fremdkörpern größer
12 mm, Fernhalten von
Fingern und Gegenständen
4 Schutz gegen Eindringen
von festen Körpern größer
1 mm, Fernhalten von
Werkzeugen und Drähten
5 Schutz gegen schädliche
Staubablager ungen, voll-
ständiger Berührungsschutz
6 Schutz gegen Eindringen von
Staub, vollständiger Berühr-
ungsschutz
Zweite Kennziffer
0 Kein besonderer Schutz
4 Schutz gegen Wasser, das
aus allen Richtungen gegen
das Betriebsmittel spritzt
5 Schutz gegen einen Wasser-
strahl aus einer Düse, der aus
allen Richtungen gegen das
Betriebsmittel gerichtet wird
7 Schutz gegen Wasser, wenn
das Betriebsmittel (Gehäuse)
zeitweilig untergetaucht wird
8 Schutz gegen Wasser beim
dauernden Untertauchen
Allgemeine GrundlagenElektrischMechanisch
Qualität
Spezifische Grundlagen
940
Grundlagen und DefinitionenMechanische Eigenschaften
Werkstoff Verwendung und Eigenschaften
Kunststoffe
ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol Schlagzäh, steif, eingeschränkte Chemiekalienbeständigkeit.
Manche Typen flammhemmend. Werkstoff für Gehäuse.
AES/CP Acrylnitril-Ethylen-Propylen-Styrol Schlagzäh, steif, eingeschränkte Chemiekalienbeständigkeit. Werkstoff für Gehäuse.
EP Epoxidharz Duromer, Pressmasse, höchste mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit.
Sehr gute Maßhaltigkeit. Unschmelzbar.
Epoxidharz-Glashohlkugel Glashohlkugeln können mit Epoxidharzen verarbeitet werden. Sie werden zur Herstellung
von Wandlern mit geringer Dichte und hoher Druckfestigkeit verwendet.
FEP Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen Hohe Temperaturbeständigkeit bis 180 °C, Isolationswerkstoff für Kabel.
LCP Liquid Crystalline Polymer Hohe mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit.
Sehr gute Chemikalienbeständigkeit. Inhärent flammwidrig.
PA Polyamid Hohe Schlagzähigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit.
PA 6, PA 66, PA mod., PA 12 Polyamid Gute mechanische Festigkeit. Temperaturbeständigkeit.
PA 12 ist im Lebensmittelbereich zugelassen.
PA transp. Polyamid transparent Transparent, hart, steif. Gute Chemikalienbeständigkeit.
PBT Polybutylenterephtalat Hohe mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit. Manche Typen
flammhemmend. Gute Chemikalienbeständigkeit. Gute Ölbeständigkeit.
PC Polycarbonat Klar, hart, elastisch und schlagzäh. Gute Temperaturbeständigkeit.
Eingeschränkte Chemikalienbeständigkeit.
PEEK Polyetheretherketon Thermoplast. Sehr hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit. Gute Chemikalien-
beständigkeit. Sterilisierbar und gute Beständigkeit gegen ionisierende Strahlung.
PEI Polyetherimid Hohe mechanische Festigkeit bei sehr guter Temperaturbeständigkeit.
Gute chemische Beständigkeit auch bei vielen Lösungsmitteln.
Transparent mit bernsteingelber Eigenfarbe (nicht pigmentiert).
PET Polyethylenterephtalat Hohe Bruchfestigkeit, gute Formbeständigkeit.
Einsatz häufig im Lebensmittelbereich.
PMMA Polymethylmethacrylat Klar, transparent, hart, kratzfest, UV-beständig, vorwiegend für optische Anwendungen.
POM Polyoxymethylen Hohe Schlagzähigkeit, gute mechanische Festigkeit. Gute Chemikalienbeständigkeit.
Werkstoffe
941■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenMechanische Eigenschaften
Werkstoff Verwendung und Eigenschaften
Kunststoffe
PP Polypropylen Sehr gute elektrische Eigenschaften. Schlagfest, zäh, mechanisch belastbar.
Sehr niedrige Wasseraufnahme. Gute bis sehr gute Chemikalienbeständigkeit.
PPE Polyphenylenether Zäh, steif, hohe mechanische Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich.
Gute chemische Beständigkeit. Gute Heißwasserbeständigkeit.
PSU Polysulfon Hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Schlagzähigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit,
FDA-zugelassen (lebensmittelecht).
PTFE Polytetraflourethylen Beste Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, FDA-zugelassen (lebensmittelecht).
PUR Polyurethan Elastisch, verschleißfest, schlagzäh. Gut beständig gegenüber Ölen, Fetten,
Lösungsmitteln (Dichtungen und Kabelmäntel).
PVC Polyvinylchlorid Gute mechanische Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit (Kabel).
PVDF Polyvinylidenfluorid Thermoplast. Hohe Temperaturbeständigkeit und mechanische Festigkeit.
Gute Chemikalienbeständigkeit (ähnlich PTFE).
Metall
Al Aluminium Knetlegierung Standard-Aluminium für spanende Formgebung. Eloxierbar.
Werkstoff für Gehäuse und Befestigungsteile.
CuZn Messing Standard-Gehäusematerial mit Oberflächenschutz.
Edelstahl rostfrei Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit. Qualität 1.4034, 1.4104:
Standard-Werkstoff; Qualität 1.4305, 1.4301: Standard-Werkstoff für den Lebensmittel-
bereich; Qualität 1.4401, 1.4404, 1.4571: Für den Lebensmittelbereich mit erhöhten
Anforderungen an Chemikalienbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen.
GD-Al Aluminium-Druckguss Geringes spezifisches Gewicht. Gute Festigkeit und Beständigkeit.
Manche Typen eloxierbar.
GD-Zn Zink-Druckguss Gute Beständigkeit und Festigkeit. Meistens mit Oberflächenschutz.
Sonstige
Glas Gute chemische Beständigkeit und Festigkeit. Vorwiegend
für optische Anwendungen (Linsen, Abdeckscheiben).
Keramik Sehr gute Festigkeit und chemische Beständigkeit.
Elektrisch isolierend. Ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit.
Allgemeine GrundlagenElektrisch
MechanischQualität
Spezifische Grundlagen
942
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Der Alarmausgang am Empfänger (PNP open collector – 30 mA)
löst ein Warnsignal bei Funktionsstörungen aus, die durch Ver-
schmutzung oder mechanische Dejustierung verursacht werden
können. Der Alarmausgang ist aktiviert, wenn das Empfangssignal
für eine definierte Zeit im Alarmbereich liegt.
stabil
instabil
stabil
Schalt-
schwelle
Stabilität (grüne LED)
Alarm
Alarmausgang
Bei den Baureihen BOS 18M Teach-in und BOS 65K ist die komplet-
te Familie, auch Lichttaster und Reflexionslichtschranke, mit einem
Alarmausgang ausgestattet.
Der Ausschaltverzug ist die Dauer, die ein Sensor zum Ansprechen
benötigt, wenn die Messplatte bei Faktor 0,5 der Strahlungsleistung
den Erfassungsbereich verlässt.
Ausschaltverzug
Empfänger
Sender
Strahlteilerspiegel
Erfassungs-
bereich
LinseReflektor
Sender und Empfänger arbeiten mit einer gemeinsamen Linse. Das
Sendelicht geht durch den Strahlteiler und die Linse zum Reflektor.
Der Reflektor wirft das Sendelicht in sich zurück zur Linse. Dadurch
haben Reflexionslichtschranken, die mit Autokollimation arbeiten, ein
kleines und rundes Strahlprofil. Weitere Vorteile: kein Totbereich für
die Abtastung bzw. für den Reflektor, bessere Kleinteileerkennung,
Schaltverhalten unabhängig von der Anfahrrichtung.
Autokollimation
Dunkelschaltung
nach DIN 44030
Lichtempfänger Verstärker Verbraucher
unbeleuchtet durchgesteuert eingeschaltet
beleuchtet nicht durchgesteuert ausgeschaltet
Der Einschaltverzug ist die Dauer, die ein Sensor zum Ansprechen
benötigt, wenn die Messplatte bei Faktor 2 der Strahlungsleistung in
den Erfassungsbereich eindringt.
Einschaltverzug
Ein Sensor mit analogem Ausgang schaltet nicht bei einer bestimm-
ten Tastweite. Sein analoger Ausgang gibt ein abstandsabhängiges
Ausgangssignal aus. Die Ausgangsspannung steht in Relation zum
Objektpunkt im Tastbereich. Messsysteme arbeiten mit dem gleichen
Prinzip wie Sensoren mit Hintergrundausblendung.
In einem bestimmten Bereich (Messbereich) erzeugen sie ein lineares
Ausgangssignal.
Distanzsensoren
mit analogem Ausgang
943■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Das Fremdlicht ist der Lichtanteil, der vom Empfänger empfangen
wird, jedoch nicht vom zugehörigen Sender stammt.
Fremdlicht
Einweglichtschranken bestehen aus getrennten Sender- und Emp-
fängereinheiten, die zu beiden Seiten der Taststrecke gegeneinan-
der ausgerichtet sein müssen. Ein Tastgegenstand unterbricht den
Lichtstrahl und bewirkt im Empfänger, unabhängig von der Beschaf-
fenheit der Oberfläche, eine Umschaltung, d. h. eine Änderung des
Ausgangssignals. Bei ungünstigen Bedingungen (z. B. Staub, Nässe,
Öl) erzielt man mit Einweglichtschranken die besten Ergebnisse.
Reichweiten bis zu 50 m können erzielt werden.
Tastobjekt
Sender Empfänger
Einweglichtschranke
Sensoren zur Farberkennung detektieren Objekte anhand ihrer
Farbe. Der Sensor wird so eingestellt, dass er ein Objekt mit einer
bestimmten Farbe erkennt. Andersfarbige Objekte erzeugen dann
kein Schaltsignal.
Farberkennung
Polyurethanmantel
■ Temperatur T = +85 °C
■ ausgezeichnete
chemische Beständigkeit
■ flexibel
■ keine Versprödung durch
Öle und Kühlemulsionen
Metallwellschlauch,
silikongemantelt
■ Temperatur T = +150 °C
■ sehr flexibel
■ trittfest
■ sterilisierbar
Metallschlauch
■ Temperatur T = +150 °C
■ beständig gegen heiße Späne
■ flexibel
■ trittfest
Faseroptiken werden aus Glas oder Kunststoff mit einem Durchmes-
ser bis unter 50 μm hergestellt und in Bündeln von mehreren hundert
Einzelfasern zu sogenannten Faseroptiken zusammengefasst. Die
Faserenden sind entsprechend den Qualitätskriterien der optischen
Industrie geschliffen und poliert.
Die Einzelfasern sind mit einem festhaftenden Gleitmittel, einer
"Schliche", hauchdünn beschichtet. Sie vermindert die Reibung zum
Außenmantel und zwischen den Fasern, sodass auch bei dauernder
Biegebelastung Faserbrüche so gut wie nicht mehr auftreten. Die
Übertragungs eigen schaften sind dadurch über eine lange Zeitspan-
ne garantiert.
Die Enden der Bündel sind mit der Anschlusshülse und dem Mantel
vergossen. Balluff Faseroptiken entsprechen da durch der Schutz-
art IP 67 (Metallschutzschlauch IP 65). Feuchtigkeit und aggressive
Medien können deshalb weder Fasern noch Schliche beschädigen
und daher die optischen Eigenschaften nicht verschlechtern.
Axiale Zugkräfte werden so auf alle Fasern gleichmäßig verteilt und
die Einzelfasern vor unzulässigen Zugbelastungen geschützt.
Faseroptiken
Um einen kleineren Lichtfleck zu erreichen, wird der Lichtstrahl des
Senders durch Linsen fokussiert. Durch die Fokussierung und den
daraus entstehenden Lichtspot sind die Schalter besser zur Erken-
nung von kleinen Teilen und von Details geeignet. Die Fokussierung
wird häufig bei Lichttastern mit Hintergrundausblendung und bei
Reflexionslichtschranken verwendet.
Fokussierung
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische SensorenUltraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
944
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Hellschaltung
nach DIN 44030
Lichtempfänger Verstärker Verbraucher
beleuchtet durchgesteuert eingeschaltet
unbeleuchtet nicht durchgesteuert ausgeschaltet
Die Hysterese ist der Abstand zwischen den Schaltpunkten bei einer
sich dem Optoschalter nähernden und sich wieder entfernenden
Messplatte.
Hysterese
Hintergrundausblendung
(HGA)
Durch die HGA werden Objekte innerhalb eines eingestellten
Schaltabstandes erkannt, ohne vom reflektierenden Hintergrund
beeinträchtigt zu werden und nahezu unabhängig von Farbe und
Oberfläche des Objekts (Objektreflexion).
HGA wird erreicht, indem sich die Strahlkeule von Sender und
Empfänger überschneiden. Dadurch teilt sich das Sichtfeld in einen
aktiven Bereich und den Hintergrund. Zusätzlich wird durch die Tei-
lung des Empfängers in mindestens zwei eng angrenzende Bereiche
(z. B. durch Verwendung einer Doppeldiode oder eines PSD-Ele-
ments) und durch eine geometrische Anordnung (Triangulation) die
Positionsbestimmung des Objekts im Tastbereich erreicht. Dadurch
können Objekt und Hintergrund sicher unter-schieden werden. Licht-
taster mit HGA zeichnen sich durch eine geringe Grauwertverschie-
bung und Hysterese aus.
Als Kodak-Graukarte bezeichnet man die Norm-Messplatte opto-
elektronischer Sensoren. Es ist eine Kartonscheibe, deren Oberflä-
che eine definierte Reflektivität aufweist. Die Seite mit 90 % Reflexion
dient zur Reichweitenbestimmung von Lichttastern, mit 18 %
Reflexion zur Ermittlung der Grauwertverschiebung.
Kodak-Graukarte
Grauwertverschiebung ist die Abstandsdifferenz des Schaltpunktes
bei einer Einstellung mit unterschiedlichen Objektreflektivitäten. Mit
Kodak-Graukarte 90 % Reflexion wird der Sensor auf einen Abstand
eingestellt. Mit der Kodak-Graukarte 18 % Reflexion wird der damit
erreichte Abstand gemessen. Die Differenz dieser beiden Schalt-
punkte in % wird als Grauwertverschiebung bezeichnet. Je kleiner
die Grauwertverschiebung, desto farbunabhängiger arbeitet der
Sensor.
Grauwertverschiebung
Gabellichtschranken sind Einweglichtschranken, bei denen Sender
und Empfänger in einem U-förmigen Gehäuse einander gegenüber
angeordnet sind. Durch die Gehäuseform vereinfachen sich Ausrich-
tung und elektrischer Anschluss. Unterschiedliche Reichweiten erhält
man durch verschiedene Gehäuseausführungen. Gabelweiten von
5...220 mm sind in verschiedenen Abstufungen möglich. Durch das
vorhandene Potenziometer und die eingebauten Blenden lassen sich
die Gabellichtschranken ohne Probleme so einstellen, dass Teile bis
zu einem Durchmesser von 60 μm erkannt werden können.
Gabellichtschranke
945■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Licht wird in vielen Bereichen der Technik und des täglichen Lebens
in Steuerungs- und Regeleinrichtungen als Sensormedium eingesetzt.
Dabei wird eine Änderung der Lichtintensität auf einer optischen
Strecke (zwischen Sender und Empfänger) ausgewertet, die durch
ein Tastobjekt hervorgerufen wird. Je nach Beschaffenheit dieses
Objekts und dem Aufbau der optischen Strecke wird dabei der Licht-
strahl unterbrochen oder reflektiert bzw. gestreut.
Als Sender werden überwiegend Hochleistungs-Rotlicht-LEDs und
als Empfänger Fotodioden verwendet. Rotlicht-LEDs werden ein-
gesetzt, weil der Lichtstrahl und der Abtastpunkt visuell erfasst und
leichter einjustiert werden können.
Für die verschiedenartigen Einsatzbedingungen bietet Balluff drei
Sensorvarianten an: Lichttaster, Reflexionslichtschranken und Ein-
weglichtschranken.
Licht als Sensormedium
Korrekturfaktoren
(für Lichttaster)
Für Objekte mit anderen Reflexionseigenschaften kann diese Weite
mit den angegebenen Korrekturfaktoren bestimmt werden (siehe
Tabelle).
Korrekturfaktor Tastobjekt, Oberfläche
1 Papier, weiß, matt 200 g/m²
1,2...1,6 Metall, glänzend
1 Styropor, weiß
0,6 Baumwollstoff, weiß
0,5 PVC, grau
0,4 Holz, roh
0,3 Karton, schwarz, glänzend
0,1 Karton, schwarz, matt
Zweck der Laserschutzklassen ist, Personen vor Laserstrahlung
durch Angabe von Grenzwerten zu schützen. Daher werden die
verwendeten Laser in ein Klassifizierungsschema eingestuft, das
auf die Gefährdung bezogen ist. Die für die Einstufung relevanten
Berechnungen und zugehörigen Grenzwerte sind in der Norm
EN 60825-1:2001-11 beschrieben. Die Eingruppierung bezieht sich
auf eine Kombination von Ausgangsleistung und Wellenlänge, unter
Berücksichtigung von Emissionsdauer, Anzahl der Impulse und
Winkelausdehnung.
Balluff Sensoren arbeiten in folgenden Laserschutzklassen:
Klasse 1: Ungefährlich, keine Schutzmaßnahmen.
Klasse 2: Niedrige Leistung, Lidschlussreflex reicht zum Schutz aus.
Bei Geräten der Schutzklasse 2 schützt sich das Auge selbst durch
den Lidschlussreflex vor zu langem Blicken in den Strahl. Laserwarn-
schilder auf dem Gerät und eventuell noch an der Maschine, in der
ein Laser im Einsatz ist, genügen. Weitere Schutzmaßnahmen sind
nicht erforderlich. Beim Einsatz von Geräten der Schutzklasse 1 und
2 ist kein Laserschutz-Beauftragter im Betrieb nötig.
Laser, Laserschutzklasse
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische SensorenUltraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
Die Anschlüsse des Ausgangs können auf ein falsches Potenzial ge-
legt werden, ohne den Sensor zu zerstören.
Kurzschlussschutz
946
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Lichtleitung
durch Totalreflexion
Ohne die oben beschriebene Totalreflexion an Grenzschichten
wären Faseroptiken in der heutigen Qualität nicht realisierbar. Sie
bestehen aus einem zylindrischen lichtleitenden Kern und einem ihn
fest umschließenden dünnwandigen Mantel. Die optische Dichte n
des Kerns ist größer als die des Mantels. Ein Lichtstrahl wird an der
Trennschicht zwischen Kern und Mantel immer wieder total reflek-
tiert und kann deshalb den Kern in radialer Richtung nicht verlassen.
Theoretisch wird das Licht durch diese Reflexionen nicht geschwächt;
Verunreinigungen und Fehlstellen sowohl im Kernmaterial als auch
in der Trennschicht verursachen jedoch Verluste und begrenzen die
Faseroptik-Länge, bei der eine gesicherte Informationsübertragung
gewährleistet ist.
Sender/
Empfänger
AnfahrkurveSender-/Empfän-
gerkeule
Normplatte 90 % Reflexion
Bei Lichttastern sind Sender und Empfänger in einem Gehäuse
untergebracht. Die Ausrichtung auf ein Tastobjekt ist weitgehend
unkritisch. Ein Tastobjekt (z. B. eine Normplatte mit 90 % Reflexion)
wirft im Bereich des Lichtstrahls durch diffuse Reflexion an seiner
Oberfläche einen Teil des Lichts zum Empfänger zurück. Erreicht
die Normplatte die Anfahrkurve (siehe Bild), ändert sich das Aus-
gangssignal. Die Tastweite hängt von Größe, Form, Farbe und
Beschaffenheit der reflektierenden Objektoberfläche ab. Bei einer
Kodak-Graukarte mit 90-%iger Reflexion (~ weißes Papier) können
bis zu 2 m erreicht werden.
Lichttaster
Um unsichtbare Marken auf Objekten abzufragen, verwendet man
sogenannte fluoreszierende Stoffe (in speziellen Kreiden, Tinten,
Lacken usw. enthalten), die nur mit ultraviolettem Licht (UV) sichtbar
gemacht werden können. Die fluoreszierenden Stoffe wandeln das
unsichtbare UV-Licht (kurzwellig, hier 380 nm) in sichtbares Licht
(zwischen blau 450 nm und dunkelrot 780 nm). Dieser Effekt heißt
Photolumineszens. Das sichtbare Licht kann dann wie üblich vom
Empfängerteil des Sensor erkannt werden.
Lumineszenz
Die zulässige Luftfeuchtigkeit beträgt 35 bis 85 % (nicht kondensiert).Zulässige Luftfeuchtigkeit
Lichtbrechung Lichtstrahlen erfahren an der Grenzfläche zweier optischer Medien
mit unterschiedlicher optischer Dichte n (z. B. Glas/Luft) eine
Richtungsänderung, d. h. eine Brechung. Der Grad der Brechung
ist abhängig von dem Quotienten der optischen Dichten n beider
Medien und vom Einfallswinkel ε zur optischen Achse.
Wechselt ein Lichtstrahl von einem dichten Medium n in ein
dünneres n', so verläuft er dort unter einem größeren Winkel ε'.
Oberhalb εcrit. (Grenzwinkel, bei dem der gebrochene Strahl parallel
zur Grenzschicht verläuft) tritt er jedoch wieder in das Medium mit
der Dichte n ein, d. h., hier liegt eine Totalreflexion vor.
Totalreflexion
947■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Wann braucht man sie?
Ein Teil des Senderlichts von Reflexionslichtschranken wird von
Tastobjekten mit glänzenden Oberflächen (z. B. aus Weißblech, Edel-
stahl oder Aluminium) direkt zum Empfänger reflektiert. Einfache
Reflexionslichtschranken können deshalb reflektiertes Objektlicht und
Reflektorlicht nicht sicher unterscheiden. Fehl-Erkennungen können
deshalb nicht ausgeschlossen werden. Balluff Reflexionslichtschran-
ken sind aus diesem Grund alternativ mit Polarisationsfiltern
ausgerüstet, die zusammen mit einem Balluff Reflektor, einem
optisch aktiven Prismenspiegel, eine selektive Barriere gegen
das reflektierte Objektlicht bilden, jedoch das Reflektorlicht passieren
lassen.
Polarisationsfilter (Polfilter)
Wie funktionieren sie?
Licht besteht aus einer Vielzahl von Einzelstrahlen, die alle sinusför-
mig um ihre Ausbreitungsachsen schwingen. Ihre Schwingungsebe-
nen sind jedoch unabhängig voneinander und können jede beliebige
Winkellage annehmen (siehe Bild).
Treffen sie auf einen Polarisationsfilter (feines Liniengitter), so werden
nur die parallel zu der Gitterebene schwingenden Strahlen durchge-
lassen, die senkrecht dazu schwingenden aber ganz gelöscht. Von
allen anderen Schwingungsebenen wird nur jeweils der Anteil durch-
gelassen, der der parallelen Komponente entspricht.
Zum Ausblenden von Spiegelreflexionen
Hinter dem Filter schwingt das Licht nur noch parallel zur Polari-
sationsebene. Für dieses Licht ist ein weiterer um 90° gedrehter
Polarisationsfilter eine nichtdurchdringbare Barriere.
Mit je einem um 90° gedrehten Polarisationsfilter vor der Sender-
und der Empfängeroptik einer Reflexionslichtschranke kann man
also verhindern, dass reflektiertes Licht von einem spiegelnden
Tastobjekt das Signal des Fotoempfängers verfälscht.
Zum sicheren Erkennen von spiegelnden Tastobjekten
Dagegen wird das vom Tripelspiegel reflektierte Licht, dessen Polari-
sationsebene wie oben beschrieben um 90° gedreht ist, von diesem
Filter ungehindert durchgelassen.
Der Empfänger einer Reflexionslichtschranke wird dadurch auch
beim Durchlauf eines spiegelnden Tastobjekts voll abgedunkelt und
erkennt das Objekt mit hoher Sicherheit.
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische SensorenUltraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
948
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
ReflektorSender/
EmpfängerTastobjekt
Bei Reflexionslichtschranken befinden sich Sender und Empfänger
in einem Gehäuse. Ein Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite
der Taststrecke wirft das Licht des Senders wieder zum Empfänger
zurück.
Ein Tastobjekt unterbricht den reflektierten Lichtstrahl und bewirkt
eine Änderung des Ausgangssignals. Bei spiegelnden Oberflächen
empfiehlt es sich, das vom Objekt reflektierte Licht mit einem
Polarisationsfilter vor der Empfängeroptik auszublenden, um damit
eventuellen Fehlsignalen vorzubeugen.
Reflexionslichtschranke
Eine diffuse Reflexion tritt an einer unebenen und rauen Ober-
fläche auf. Sie kann durch eine Vielzahl schlecht reflektierender und
unterschiedlich ausgerichteter Miniaturspiegel veranschaulicht wer-
den. Einfallendes Licht wird an einer solchen Fläche breit gestreut.
Die Reflexionsverluste sind um so höher, je matter und dunkler die
Fläche ist. Lichttaster z. B. erkennen diffus reflektiertes Licht von
Tastobjekten.
Reflexion Was ist das?
Lichtstrahlen breiten sich im freien Raum geradlinig aus. Treffen sie
auf einen Körper, so werden sie reflektiert. Je nach Oberflächen-
beschaffenheit des Körpers unterscheiden wir folgende Reflexions-
arten: Totalreflexion, Retroreflexion und diffuse Reflexion.
Die Totalreflexion tritt an einer hochglänzenden (spiegelnden)
Fläche auf. Der Eintrittswinkel eines Lichtstrahls ist dabei gleich dem
Ausfallwinkel (�I = �E ). Die Reflexionsverluste sind im Idealfall ver-
nachlässigbar.
Die Retroreflexion wird an zwei senkrecht zueinander stehenden
Spiegeln bewirkt. Ein Lichtstrahl wird durch Doppelspiegelung wie-
der in die gleiche Richtung zurückgeworfen. Der Einfallswinkel kann
dabei in einem relativ großen Bereich verändert werden.
Das oben beschriebene zweidimensionale Prinzip der Retrorefle-
xion kann auf ein räumliches System mit drei Spiegeln übertragen
werden, die senkrecht zueinander angeordnet sind (eine Ecke eines
auf der Spitze stehenden Würfels). Ein Lichtstrahl wird darin an allen
drei Flächen total reflektiert und tritt parallel zum einfallenden Strahl
wieder aus.
Man nennt Tripelspiegel optisch aktiv, weil sie zusätzlich die
Polarisationsebene des reflektierten Lichtstrahls um 90° drehen.
Diese Eigenschaft ermöglicht erst zusammen mit einem Polarisa-
tionsfilter ein sicheres Erkennen von spiegelnden Tastobjekten
mit Reflexionslichtschranken.
Reflektoren
(Optisch aktive Tripelspiegel)
Je sechs Tripelspiegel sind zu einem Sechseck zusammengefasst
und wabenförmig nebeneinander angeordnet. Ihre Ausrichtung auf
den Lichtstrahl ist dadurch unproblematisch. Sie werden in der Regel
aus Kunststoffen mit hoher optischer Dichte in Platten gespritzt oder
in flexible Folien gepresst.
949■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Schaltabstand s Der Schaltabstand ist der Ab-
stand zwischen der Normplatte
und der aktiven Fläche des
Lichttasters beim Signalwechsel
(nach EN 60947-5-2).
Blindzone Die Blindzone ist der Bereich
zwischen aktiver Fläche und
Mindestschaltabstand, in dem
ein Tastobjekt nicht erkannt
werden kann.
Erfassungsbereich sd Der Erfassungsbereich ist der
Raum, in dem der Schaltabstand
eines optoelektronischen Sen-
sors zur Normplatte eingestellt
werden kann.
120 %
Kod
ak-G
raukart
e
sn
sr
su
sd
80 %
Blin
dzone
0 %
aktive F
läche
135 % 100 %
Optoelektronische Sensoren ver-
wenden hauptsächlich folgende
Sendebauteile:
■ Rotlicht-LED: sichtbares
Licht, gut als Ausrichthilfe und
zur Sensorjustage.
■ Infrarot-LED (IR): unsicht-
bare Strahlung mit hoher
Energie.
■ Rotlicht-Laser: sichtbares
Licht, durch physikalische
Eigenschaften des Lasers
optimal für Kleinteileerkennung
und hohe Reichweiten.
Sendelicht
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische SensorenUltraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
950
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Triangulation Bei einer Triangulation schneiden sich Sender- und Empfängerkeule
einer Lichtschranke in einem spitzen Winkel. Nur in dem Bereich,
in dem sich die Keulen überdecken, wird ein Tastobjekt erkannt.
Das Senderlicht, das von Objekten außerhalb dieser begrenzten
Zone reflektiert bzw. gestreut wird, kann vom Fotoempfänger nicht
registriert werden.
Mit der Triangulation können relativ kleine Abstandsänderungen er-
kannt werden (z. B. Nuten, Absätze an Wellen). Form und Farbe des
Objektes haben geringen Einfluss.
Sender
Empfänger
Tastobjekte
Sensoreinstellungen werden bei Teach-in-Sensoren nicht mehr mit
Potenziometer oder Schiebeschaltern vorgenommen. Alles wird über
Tastendruck gesteuert. Der bei Teach-in-Sensoren integrierte Mikro-
controller ermöglicht die komplette Steuerung des Einstellvorgangs
durch Tastendruck. Durch definierte Einstellschritten entsteht
der Vorteil, dass der Sensor nicht in einem unsicheren Bereich einge-
stellt werden kann. Der Mikrocontroller übernimmt auch die Steuerung
der Verschmutzungsanzeige und des Verschmutzungsausgangs.
Eine Vielzahl der Balluff Teach-in-Schalter verfügten über eine Fern-
bedienung; der Einstellvorgang über Teach-in kann über Kabel auch
von extern ausgelöst werden.
Teach-in
Die Temperaturdrift ist die Schaltpunktverlagerung bei Temperatur-
änderung in % von sr.
Temperaturdrift
Der Testeingang des Senders unterbricht seine Lichtimpulse und
ermöglicht dadurch die Funktionsprüfung von Sender und Empfän-
ger. Wird Test+ verwendet, muss Test– auf 0 V und wenn Test– ver-
wendet wird, muss Test+ auf 10...30 V gelegt werden. Der Empfän-
ger-Ausgang muss jedes Mal schalten, wenn am Testeingang eine
Spannung von 10...30 V DC (Test+) bzw. 0 V DC (Test–) vorliegt. Bei
Verschmutzung oder Dejustage der optischen Achse erreichen die
Sendeimpulse den Empfänger nur unzureichend oder gar nicht. Da-
durch schaltet der Ausgang nicht, obwohl der Testeingang aktiviert
ist. Die Testfunktion entspricht einer Fernüberwachung der Licht-
schranke und ermöglicht eine vorbeugende Systemkontrolle.
Testeingang
Die Transmission ist ein Maß für die Lichtdurchlässigkeit eines
Mediums. Sie ist definiert als das Verhältnis von durchgelassenem zu
eingestrahltem Licht (in %). Von diffuser Transmission spricht man,
wenn das Licht dabei ganz oder teilweise gestreut wird.
Transmission
Lichttaster Hintergrundausblendung Reflexionslichtschranke Einweglichtschranke
Bemessungsschaltabstand sn 100 mm 200 mm 400 mm 1 m 2 m 120 mm 250 mm 1,1 m 2 m 4 m 8 m 5 m 8 m 16 m 50 m
Realschaltabstand (in % von sn) 125 125 125 135 150 135 135 135 150 150 150 150 150 150 150
Schalthysterese (in %) ≤ 20 ≤ 20 ≤ 25 ≤ 15 ≤ 15 ≤ 1 ≤ 1 ≤ 1 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 15 ≤ 15 ≤ 15 ≤ 15
Ø der Ansprechkeule bei sn/2 typ. (mm) 20 25 150 300 300 6 10 25 50 100 150
Ø des aktiven Bereiches (mm) 8 12 12 20
Technische Daten, allgemein
951■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenOptoelektronische Sensoren
Ausgang
(rote LED)
dunkels
chaltend
hells
chaltend
stabil
instabil
stabil
Schalt-
schwelle
Stabilität
(grüne LED)
Die Verschmutzungsanzeige (grün) leuchtet im sicheren Bereich auf,
wenn die Eingangsenergie die Schwellenenergie um mindestens
30 % über- bzw. unterschreitet.
Die Schwellenenergie, bei der ein Signalwechsel am Ausgang be-
wirkt wird, ist mit 100 % definiert.
Daraus ergibt sich der sichere Bereich:
■ wenn das Eingangssignal mindestens 130 % der
Schwellenenergie überschreitet
■ wenn das Eingangssignal mindestens 70 % der Schwellenenergie
unterschreitet.
Verschmutzungsanzeige
Verschmutzungsgrad Reine Luft Ideale Einsatzbedingungen
Leichte Verunreinigung Relativ saubere Luft in Innenräumen
Geringe Verunreinigung Werkstatt- und Lagerräume
Mittlere Verunreinigung Staubige und dunstige Umgebung; Schaltabstand
reduziert sich auf s = 0,5 su
Hohe Verunreinigung Starke Niederschläge, aufgewirbelte Flocken und
Späne: Funktionsausfall des Optosensors möglich.
Höchste Verunreinigung Kohlenstaub, der sich auf der Linse niederschlägt.
Funktionsausfall des Optosensors möglich.
Umgebungstemperatur Die Umgebungstemperatur ist der Temperaturbereich, in dem
die Funktion des Optoschalters garantiert ist. Balluff Standard:
–15 °C ≤ Ta ≤ +55 °C
Verschmutzung (Einfluss auf
den Ansprechbereich)
Eine Verschmutzung verkleinert den angegebenen Ansprechbereich
von Sensoren und Faseroptiken gegenüber reiner Luft, weil die
Schmutz- und Staubpartikel:
■ sich auf den Linsen ablagern und
deren Lichtdurchlässigkeit verschlechtern,
■ Licht im Strahlgang absorbieren und streuen.
Mit einer ölfreien Freiblaseinrichtung kann die Beeinträchtigung
durch stark verunreinigte Luft verhindert werden.
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische SensorenUltraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
Anschlüsse der Spannungsversorgung können vertauscht werden,
ohne den Sensor zu zerstören.
Verpolungsschutz
952
Einbau und Betrieb
Sensoren können in jeder Lage eingebaut werden. Einbaulagen,
die zu starken Schmutzablagerungen auf der Sensoroberfläche
führen, sind zu vermeiden. Wassertropfen und starke Verkrustungen
auf der Wandleroberfläche können die Funktion beeinträchtigen.
Leichte Staubablagerungen und Farbniederschlag beeinträchtigen
die Funktion nicht.
Bei abzutastenden Objekten, die ebene und glatte Oberflächen ha-
ben, sind die Sensoren in einem Winkel von 90° ± 3° zur Oberfläche
zu montieren.
Raue Oberflächen erlauben dagegen deutlich größere Winkelabwei-
chungen. Eine Oberfläche ist für den Ultraschall rau, wenn ihre Rau-
tiefe in der Größenordnung der Wellenlänge der Ultraschall-Frequenz
oder größer ist.
Der Schall wird dann diffus reflektiert, was zu einer Reduzierung der
Betriebstastweite führen kann. Bei rauen Oberflächen ist die maximal
zulässige Winkelabweichung und die maximal mögliche Tastweite
durch einen Versuch zu ermitteln.
Grundlagen und DefinitionenUltraschall-Sensoren
Montageabstände und Synchronisation
Werden zwei oder mehrere Sensoren in einem zu geringen Abstand
zueinander montiert, können sie sich gegenseitig beeinflussen. Um
dies zu vermeiden, müssen entweder die Montageabstände ausrei-
chend groß gewählt oder die Sensoren untereinander synchronisiert
werden. Bitte entnehmen Sie die Mindest-Montageabstände der
Bedienungsanleitung.
Schallumlenkung
Der Schallstrahl kann über eine schallharte und glatte Reflexions-
fläche ohne nennenswerte Verluste umgelenkt werden. Hierfür
stehen als Zubehör 90°-Umlenkflächen zur Verfügung.
953■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenUltraschall-Sensoren
Dämpfung des Schalls in der Luft
Abhängig von der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchte und
dem Luftdruck wird Schall gedämpft. Die physikalischen Zusammen-
hänge sind komplex und für die einzelnen Ultraschall-Frequenzen
unterschiedlich ausgeprägt.
Vereinfacht gilt: Mit zunehmender Temperatur und zunehmender
Luftfeuchtigkeit nimmt die Dämpfung in der Luft zu. Dies bedingt
eine Reduzierung der Erfassungsbereiche.
Mit abnehmender Temperatur und geringeren relativen Luftfeuchten
nimmt die Dämpfung in der Luft ab und dementsprechend vergrö-
ßern sich die Erfassungsbereiche.
Die Reduzierung der Erfassungsbereiche wird weitgehend über die
Funktionsreserve abgefangen. Bei Temperaturen unter 0 °C können
einige Sensoren durchaus doppelt so weit messen wie angegeben.
Mit zunehmendem Luftdruck nimmt die Dämpfung in der Luft deut-
lich ab. Dies ist bei Anwendungen im Überdruck zu berücksichtigen.
Im Vakuum ist eine Schallausbreitung nicht möglich.
Die Betriebstastweiten geben an, bis zu welcher Entfernung der
Ultraschall-Sensor auf übliche Reflektoren mit ausreichender Funk-
tionsreserve messen kann. Bei guten Reflektoren kann der Sensor
auch bis zu seiner Grenztastweite eingesetzt werden. Die Grenztast-
weite ist immer größer als die Betriebstastweite. Die Diagramme
gelten für 20 °C, eine relative Luftfeuchte von 50 % und Normal-
druck.
Genauigkeit
Die (absolute) Genauigkeit ist die Abweichung zwischen der wahren
Entfernung von Sensor und Objekt und der vom Sensor gemesse-
nen Entfernung.
Die erzielbare Genauigkeit hängt von den Reflexionseigenschaften
des Objektes und den physikalischen Einflüssen auf die Schallge-
schwindigkeit in der Luft ab.
Objekte mit schlechten Reflexionseigenschaften oder mit einer
Oberflächenrauigkeit, die größer als die Wellenlänge der Ultraschall-
Frequenz ist, beeinträchtigen die erzielbare Genauigkeit.
Eine Größe hierfür lässt sich kaum angeben, als Faustformel kann
man von einer Unschärfe von mehreren Wellenlängen der verwende-
ten Ultraschall-Frequenz ausgehen.
Lufttemperatur
Den größten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit und somit auf
die Genauigkeit hat die Lufttemperatur mit 0,17 %/K. Deshalb haben
die meisten Ultraschall-Sensoren von Balluff eine interne Temperatur-
kompensation. Noch besser lässt sich der Einfluss der Temperatur
über eine Vergleichsmessung einer bekannten Strecke durchführen.
Mit temperaturkompensierten Sensoren ist eine Genauigkeit von
≤ ±1 % zu erreichen.
Luftdruck/Relative Luftfeuchte
Die Schallgeschwindigkeit ist in weiten Bereichen vom Luftdruck
unabhängig. Der Einfluss der Luftfeuchte auf die Genauigkeit kann
gegenüber dem Einfluss der Lufttemperatur vernachlässigt werden.
Wiederholgenauigkeit
Die Wiederholgenauigkeit oder Reproduzierbarkeit beschreibt die
Abweichung der gemessenen Entfernungswerte untereinander,
die unter gleich bleibenden Bedingungen über einen festgelegten
Zeitraum aufgenommen wurden. Die Wiederholgenauigkeit der
Balluff Sensoren ist besser ± 0,15 %.
Normen
Alle Sensoren erfüllen die Anforderungen nationaler Normen (DIN)
und europäischer Normen (EN)
DIN EN 60947-5-2 (Näherungsschalternorm)
DIN EN 61000-4-2 (elektrostatische Entladungsfestigkeit)
DIN EN 61000-4-3 (Hochfrequenzbeeinflussungsfestigkeit)
DIN EN 61000-4-4 (schnelle Transienten)
EN 55011 (Störaussendung)
IEC 60068-2-6 (Schwingfestigkeit)
IEC 60068-2-27 (Schockfestigkeit)
EN 60529 (Schutzart)
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
954
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Norm-Messplatte Die Norm-Messplatte ist eine quadratische Platte aus Fe 360
(ISO 630), mit der Schaltabstände s nach EN 60947-5-2 ermittelt
werden.
Die Dicke ist d = 1 mm; und die Seitenlänge a entspricht
■ dem Durchmesser des eingeschriebenen Kreises der
"aktiven Fläche" oder
■ 3 sn, wenn der Wert größer als der genannte Durchmesser ist.
Aktive Fläche Die aktive Fläche ist der Bereich, durch den das hochfrequente
Sensorfeld in den Luftraum eintritt. Sie wird in erster Linie durch die
Grundfläche des Schalenkerns bestimmt und entspricht in etwa der
Fläche der Schalenkernkappe.
Schaltfrequenz f Die Schaltfrequenz entspricht der
maximal möglichen Anzahl von
Schaltfolgen pro Sekunde. Die
Bedämpfung erfolgt nach
EN 60947-5-2 mit Norm-Mess-
platten auf einer rotierenden,
nichtleitenden Scheibe. Das
Flächen ver hältnis von Eisen zu
Nichtleiter ist 1 : 2.
Der Bemessungswert der Schalt-
frequenz ist erreicht, wenn das
Einschaltsignal t1 = 50 μs oder
das Ausschaltsignal t2 = 50 μs ist.
Norm
messplatte
Näherungs-
schalter
Der Korrekturfaktor gibt die Reduzierung des Schaltabstandes bei
Bedämpfungswerkstoffen an, die von Fe 360 abweichen.
Korrekturfaktor
Werkstoff Faktor
Stahl 1,0
Kupfer 0,25...0,45
Messing 0,35...0,50
Aluminium 0,30...0,45
Edelstahl 0,60...1,00
Nickel 0,65...0,75
Gusseisen 0,93...1,05
Sensorprinzip Induktive Sensoren beruhen auf der Wechselwirkung metallischer
Targets mit dem elektromagnetischen Wechselfeld des Sensors. Im
metallischen Bedämpfungsmaterial werden Wirbelströme induziert,
die dem Feld Energie entziehen und so die Höhe der Schwingungs-
amplitude reduzieren. Diese Änderung wird im induktiven Sensor
ausgewertet.
Die Funktionsgruppen des Balluff Sensors sind:
Sensorfeld,
Spule, Kern
TriggerDemodulatorOszillator Ausgangs-
treiber
Sensorf
eld
aktive Fläche
No
rm-M
essp
latt
e
955■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Bereitschaftsverzug tv Der Bereitschaftsverzug ist die Dauer zwischen dem Einschalten der
Betriebsspannung und dem Beginn der Betriebsbereitschaft des
Sensors. Diese Zeit darf nicht mehr als 300 ms betragen. In dieser
Zeit darf kein Fehlsignal länger als 2 ms anstehen.
Verzugszeiten
Temperatureinfluss und -grenzen
Wirkprinzip Die störungsfreie Funktion ist abhängig von der Größe des Schweiß-
stromes und dem Abstand des Sensors zum stromführenden Leiter.
Durch konstruktive und schaltungstechnische Maßnahmen werden
magnetfeldfeste Sensoren in Magnetfeldern nicht beeinflusst.
strom-
führender
Leiter
magnetfeldfester
Sensor
Magnetfeld
Magnetfeldfestigkeit
Die Temperaturdrift ist die Abweichung des Realschaltabstandes
innerhalb des Temperaturbereiches von –25 °C ≤ Ta ≤ +70 °C.
Nach EN 60947-5-2 ist: Δsr/sr ≤ 10 %
Temperaturdrift
Die Umgebungstemperatur ist der Temperaturbereich, in dem die
Funktion des Sensors garantiert ist.
Umgebungstemperatur Ta
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
956
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Bemessungsbetriebs-
spannung Ue
Betriebsspannung UB Die Betriebsspannung ist der zulässige Span nungs be reich, inklusive
Restwelligkeit, in dem ein sicherer Betrieb garantiert ist.
Die Bemessungsisolationsspannung eines Sensors ist die Span-
nung, auf die sich die Isolationsprüfungen und die Luft- und Kriech-
strecken beziehen. Für Sensoren muss die höchste Bemessungs-
betriebsspannung als Bemessungsisolationsspannung betrachtet
werden.
Zur Bestimmung von Bemessungs- und Grenzwerten wird der
Sensor mit Ue betrieben. Sie beträgt bei:
■ DC Schaltern Ue = 24 V DC
■ AC- und AC/DC-Schaltern Ue = 110 V AC
Der Spannungsfall ist die Spannung am durchgeschalteten Sensor
bei Laststrom Ie.
Die Bemessungsfrequenz des Versorgungsnetzes ist 50 bzw. 60 Hz.
Die Restwelligkeit ist die der Gleichspannung Ue überlagerte Wechsel-
spannung (Spitze zu Spitze von Ue). Sie wird in % angegeben.
Für den Betrieb von Gleichspannungsschaltern ist eine gesiebte Gleich-
spannung mit einer Restwelligkeit von max. 15 %
(nach DIN 41755) erforderlich.
Der Bemessungsbetriebsstrom ist der zulässige Dauerausgangs-
strom, der durch die Last RL fließt.
Der Reststrom ist der Strom, der im Lastkreis eines gesperrten
Sensors fließt.
Der bedingte Bemessungskurzschlussstrom beträgt 100 A, d. h.,
nach EN 60947-5-2 muss das Netz gerät bei der Typen prü fung im
Kurzschlussbetrieb kurzzeitig einen Strom von mindestens 100 A
liefern. Dieser Strom ist in der Norm vorgeschrieben, um die Kurz-
schlussfestigkeit von Sensoren zu prüfen.
Der Kurzzeitstrombelastbarkeit gibt bei Wechselspannung den
kurzzeitig zulässigen Strom Ik (Aeff) während einer angegebenen Ein-
schaltdauer tk (ms) und Wiederholfrequenz f (Hz) an.
Ue = Bemessungsbetriebsspannung
Uss = Schwingungsbreite
Restwelligkeit σ = × 100 [%]Uss
Ue
Spannungsfall Ud
Bemessungsisolations-
spannung Ui
Bemessungsfrequenz
Restwelligkeit σ (%)
Bemessungsbetriebsstrom Ie
Reststrom Ir
Kurzzeitstrombelastbarkeit Ik
Bedingter Bemessungs-
kurzschlussstrom
957■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Der Leerlaufstrom ist der Strom, der fließt, ohne dass eine Last ange-
schlossen ist (nur bei 3- und 4-Drahtschaltern). Dieser Strom versorgt
die Sensorelektronik.
Leerlaufstrom I0
Der kleinste Betriebsstrom ist der Strom, der im EIN-Zustand notwendig
ist, die Leitfähigkeit des Schaltele men tes aufrechtzuerhalten.
Die Lastkapazität ist die zulässige Gesamtkapazität am Ausgang des
Sensors, inklusive Leitungskapazität.
Der Ausgangswiderstand ist der Widerstand zwischen dem Ausgang
und der Betriebsspannung, der im Innern des Schalters eingebaut ist;
siehe "Ausgangsschaltungen".
2-Draht-DC-Schalter
3-Draht-DC-Schalter
2-Draht-AC- und
AC/DC-Schalter
(Allstromschalter)
S = Halbleiterschalter
Dz = Z-Diode, Begrenzer
C = Kondensator
GI = Brückengleichrichter
LED = Leuchtdiode
S = Halbleiterschalter
Dz = Z-Diode, Begrenzer
C = Siebkondensator
RC = HF-Spitzen-Begrenzung
Gl = Brückengleichrichter
LED = Leuchtdiode
VDR = Spannungsspitzenbegrenzer
PNP, plusschaltend
(Stromquelle)
NPN, minusschaltend
(Stromsenke)
ungepolt
Ausgangsschaltungen
Lastkapazität
Ausgangswiderstand Ra
Kleinster Betriebsstrom Im
Treiberstufen
S = Halbleiterschalter
Ra = Ausgangswiderstand
LED = Leuchtdiode
Dz = Z-Diode, Begrenzer
D1 = Verpolschutzdiode
D2 = Verpolschutzdiode
im Laststromkreis
(nur bei kurzschluss-
fester Ausführung)
Masseanschluss
nur bei Steckerversion
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
958
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Stecker
DC 3-/4-Draht
Schließer
Öffner
Antivalent
DC 2-Draht
Schließer
Öffner
AC-Sensoren
Schließer
AC/DC-Sensoren
Schließer
Öffner
Schließer-Öffner
programmierbar
ungepolt
schutzisoliert (Schutzklasse II �)
Kabel/Klemmen
PNP (+) schaltend
Kabel/Klemmen
NPN (–) schaltend
gepolt
Stecker
schutzisoliert (Schutzklasse II �)
mit Schutzleiter (Schutzklasse I)
voreilender
Kontakt
voreilender
Kontakt
mit Schutzleiter (Schutzklasse I)
~~3
4
voreilender
Kontakt
Kurzschluss-
Schutzeinrichtung
(Sicherung)
BN
BU
~
~
Kurzschluss-
Schutzeinrichtung
(Sicherung)
Adernfarben
(Kennzeichnung
nach DIN IEC 60757)
Bezeichnung Farbe
BN braun
BK schwarz
BU blau
OG orange
WH weiß
RD rot
GY grau
959■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Reihenschaltung Bei einer Reihenschaltung kann
eine zeitliche Verzögerung
(z. B. Bereitschaftsverzögerung)
auftreten. Die Zahl der verknüpf-
baren Sensoren wird durch
den Gesamtspannungsabfall
(Summe aller Ud) begrenzt. Bei
2-Draht-Sensoren ist sie durch
die Addition der minimalen Ver-
sorgungsspannungen begrenzt.
Bei 3-Draht-DC-Schaltern stellt
die Belastbarkeit der Ausgangs-
stufe eine weitere Limitierung
dar, weil der Leerlaufstrom I0 aller
Schalter sich zum Bemessungs-
betriebsstrom Ie addiert.
Der Bereitschaftsverzug tv ist die
Bereitschaftsverzögerung eines
Sensors × (Anzahl der Sensoren
n–1).
Bei einer Parallelschaltung von
Sensoren mit Funktionsanzeige
wird empfohlen, die Ausgänge
der einzelnen Schalter mit
Dioden zu entkoppeln (wie
eingezeichnet). Dadurch wird
verhindert, dass alle LEDs auf-
leuchten, wenn eine Ausgangs-
stufe durchgesteuert ist.
Parallelschaltung
3-Draht-DC-Schalter 2-Draht-DC-Schalter
(DC/AC/Allstrom)
3-Draht-DC-Schalter 2-Draht-DC-Schalter
Parallelschaltungen von
2-Draht-Sensoren werden nicht
empfohlen, weil beim Anschwin-
gen der Oszilla toren Fehlimpulse
durch die Bereitschaftsverzöge-
rung auftreten können.
Gebrauchskategorien
nach EN 60947-5-2/
IEC 60947-5-2
Kategorie Typische Lastanwendungen
AC 12 AC-Schalter Widerstands- und Halbleiterlasten, Optokoppler
AC 140 AC-Schalter kleine elektromagnetische Last Ia ≤ 0,2 A; z. B. Hilfsschütz
DC 12 DC-Schalter Widerstands- und Halbleiterlasten, Optokoppler
DC 13 DC-Schalter Elektromagnete
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
960
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Verpolungssicher
Leitungsbruchschutz
Kurzschlussfestigkeit
(Sensoren mit
Maximalspannung 60 V DC)
Kurzschlussfest/überlastfest
(Sensoren für den Betrieb
wahlweise mit AC- oder DC-
Versorgung)
Sensoren mit Kurzschlussschutz sind gegen Vertauschen aller
Anschlüsse verpolungssicher.
Sensoren ohne Kurzschlussschutz sind gegen Vertauschen der
Plus-/Minusleitung verpolungssicher.
Der Leitungsbruchschutz verhindert bei 3-Draht-Schaltern eine Fehl-
funktion bei Leitungsbruch. Eine eingebaute Diode eine Stromein-
speisung über die Ausgangsleitung A.
Kurzschlussfest/überlastfeste Sensoren werden oft mit Relais oder
Schütz als Last betrieben. Beim Einschalten sind Wechselspan-
nungsschaltgeräte (Schütz/Relais) für den Sensor kurzzeitig eine er-
heblich höhere Belastung (6...10xNennstrom) als später im späteren
statischen Betrieb, da ihr Kern noch offen ist.
Der statische Wert der Belastung (Strom) wird erst nach mehreren
Millisekunden erreicht. Erst wenn der Magnetkreis geschlossen ist,
fließt der im Datenblatt maximal zulässige Bemessungsbetriebsstrom
Ie. Der Auslösewert für einen Kurzschluss muss bei diesen Sensoren
daher erheblich höher liegen. Wenn z. B. das Schütz aus mecha-
nischen oder elektrischen Gründen nicht mehr ganz geschlossen
würde, könnte dies zur Überlastung der Sensoren führen. Hier setzt
der Überlastschutz an. Er ist träge (zeitverzögert) ausgelegt. Seine
Auslöseschwelle liegt nur gering über dem maximal zulässigen Ie.
Eine Reaktion (d. h. Abschaltung) erfolgt, abhängig von der Höhe
der Überlast, erst nach mehr als 20 ms. Hiermit ist sichergestellt,
dass intakte Relais und Schütze geschaltet werden können, defekte
Schaltgeräte aber nicht zur Zerstörung der Balluff Sensoren führen.
Der Kurzschluss-/Überlastschutz ist meist bistabil ausgeführt und
muss nach dem Auslösen durch Abschalten der Betriebsspannung
zurückgesetzt werden.
Die Kurzschlussfestigkeit wird bei Balluff Sensoren mit getakteten
oder thermischen Kurzschlussschutz-Schaltungen erreicht. Die
Ausgangsstufe wird damit gegen Überlastung und Kurzschluss ge-
schützt.
Der Auslösestrom des Kurzschlussschutzes liegt über dem Bemes-
sungsbetriebsstrom Ie.
Ströme von Schalt- und Lastkapazitäten sind in den Sensordaten
spezifiziert und führen nicht zur Auslösung, sondern werden durch
kurze Verzögerung des Ausgangskreises ausgeblendet.
961■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Axiale und radiale Bedämpfung:
Bei Bedämpfung in axialer Richtung wird die Norm-Messplatte
konzentrisch zur Systemachse geführt. Der Schaltpunkt wird dabei
nur durch den Abstand s zur aktiven Fläche des Sensors bestimmt.
Bei Bedämpfung in radialer Richtung wird die Lage des Schalt-
punktes dagegen zusätzlich vom radialen Abstand r der Platte zur
Systemachse beeinflusst.
Das Diagramm zeigt die Anfahrkurven, die die Abhängigkeit des
Schaltpunkts von s und r wiedergeben. Es soll mit dieser Darstellung
in erster Linie die Möglichkeit der Bedämpfung durch seitliches An-
fahren und der Unterschied zur axialen Annäherung gezeigt werden.
Anwendung:
Der exakte Schaltpunkt muss (auch wegen der Exem plar streuungen
innerhalb einer Serie) in jedem Fall vor Ort einjustiert werden. Die
durchgezogenen Kurven geben den jeweiligen Einschaltpunkt E an,
die gestrichelten den Ausschaltpunkt A. Die roten Kurven gelten für
Schalter mit einer Freizone, die schwarzen für bündig einbaubare.
Da der Schaltvorgang bidirektional ausgelöst werden kann, sind die
Kurven an der Systemachse gespiegelt.
Beispiele:
Durchlaufende Teile auf Transportbändern lösen einen Signal-
wechsel aus, wenn ihre Vorderkante die Einschaltkurve auf der
einlaufenden Seite passiert. Der Signal-Rücksprung erfolgt, wenn die
hintere Kante des durchlaufenden Teils die (gespiegelte) Ausschalt-
kurve auf der gegenüber liegenden Seite passiert.
Bei reversierenden Teilen (z. B. Endabschaltung) erfolgt dagegen
der Signal-Rücksprung an der Ausschaltkurve auf der gleichen Seite.
Die senkrechte Achse in dem Diagramm gibt den Abstand des
Schaltpunktes von der aktiven Fläche an. Sie ist auf den Bemes-
sungsschaltabstand sn bezogen. Bei Abstand 0,8 mm erreicht eine
von der Seite in das Sensorfeld eindringende Platte im Punkt E die
durchgezogene Einschaltkurve und verlässt die Ausschaltkurve im
Punkt A.
Die waagerechte Achse in dem Diagramm ist auf den Radius der
aktiven Fläche bezogen. Der Nullpunkt dieser Achse liegt im Zentrum
der Schalenkernkappe. In unserem Beispiel M12 ist der Radius
r = 6 mm.
Typische Anfahrkurven am Beispiel eines M12-Sensors mit sn 2 mm
Norm-Messplatte, Anfahrrichtung axial
Norm-Messplatte, Anfahrrichtung radial Norm-Messplatte, Anfahrrichtung radial
Sensor-Durchmesser (aktive Fläche)
Sensor
Anfahrkurven
Beispiel: Der Abstand des
Ein - bzw. Aus schalt punk tes
(von der Systemachse) ist
typischerweise:
E ~ 2,75 mm
A ~ 2,95 mm.
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
962
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Schaltabstände
Bezugsachse
Normmessplatte
gesicherter
Schalt-
abstand
aktive
Fläche
Näherungs-
schalter
Der Schaltabstand ist der Abstand zwischen Normmessplatte und
aktiver Fläche des Sensors, bei dem ein Signalwechsel ausgelöst
wird nach EN 60947-5-2. Beim Schließer ist das von AUS nach EIN
und beim Öffner von EIN nach AUS.
Schaltabstand s
Der Nennschaltabstand ist eine Kenngröße ohne Berücksichtigung
von Fertigungstoleranzen, Exemplarstreuungen und äußeren Ein-
flüssen wie z. B. Temperatur und Spannung.
Nennschaltabstand sn
Der Realschaltabstand ist der Schaltabstand eines einzelnen
Sensors, der bei festgelegten Bedingungen z. B. Einbauart bündig,
Bemessungsbetriebsspannung Ue, Temperatur Ta = +23 °C ±5 °C
gemessen wird (0,9 sn ≤ sr ≤ 1,1 sn).
Realschaltabstand sr
Der Nutzschaltabstand ist der zulässige Schaltabstand eines einzel-
nen Sensors innerhalb der angegebenen Spannungs- und Tempera-
turbereiche (0,81 sn ≤ su ≤ 1,21 sn).
Nutzschaltabstand su
Der gesicherter Schaltabstand ist der Schaltabstand, in dem ein
gesicherter Betrieb des Sensors bei festgelegtem Spannungs- und
Tem pe raturbereich gewährleistet ist (0 ≤ sa ≤ 0,81 sn).
Gesicherter
Schaltabstand sa
Der Wiederholgenauigkeit von sr wird bei Be mes sungsbetriebs-
spannung Ue unter folgenden Bedingungen bestimmt: Temperatur:
T = +23 °C ±5 °C relative Luftfeuchtigkeit: ≤ 90 % Messdauer: t = 8 h.
Die zulässige Abweichung ist nach EN 60947-5-2 R ≤ 0,1 sr.
Wiederholgenauigkeit R
Die Hysterese wird als Prozentsatz des realen Schaltabstan-
des sr angegeben. Sie wird bei einer Umgebungstemperatur
von +23 °C ±5 °C und bei der Bemessungsversorgungs-
spannung gemessen. Sie muss kleiner als 20 % des realen
Schaltabstandes (sr) sein.
H ≤ 0,2 sr
Hysterese H
(Schaltumkehrspanne)
Schaltabstands-
kennzeichnung
Schaltabstand Baugröße Schaltabstand
■ Standard-Schaltabstand
nach EN 60947-5-2
■ ■ 2-facher Schaltabstand
gegenüber Standard
Ø 3 mm* 1 mm bündig
Ø 4 mm/M5* 1,5 mm bündig
Ø 6,5 mm...M30 1,5...2-fach
■ ■ ■ 3-facher Schaltabstand
gegenüber Standard
Ø 3 mm* 3 mm nicht bündig
Ø 4 mm/M5* 5 mm nicht bündig
Ø 6,5 mm...M12 2,2...3-fach
M18...M30 je nach Ausführung
■ ■ ■ ■ 4-facher Schaltabstand
gegenüber Standard
*Angaben für Schaltabstand in mm. Die Schaltabstände dieser Sensoren sind nicht genormt.
sn
sr
su
sa
81 %
100 %
121 %
110 % 90 %
No
rm-M
essp
latt
e
aktive
Flä
che
0 %
963■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Einbau in Metall: Sensoren mit Standard-Schaltabstand
aktive
Fläche
aktive
Fläche
Freizone
Bündig einbaubare
Sensoren
Nichtbündig einbaubare
Sensoren
Gegenüberliegender
Einbau von zwei Sensoren
Einbaumedium
Bündig einbaubare Sensoren können bis zur aktiven Fläche in Metall
eingelassen werden. Der Abstand zu gegenüberliegenden Metall-
flächen muss ≥ 3 sn und die Distanz zwischen zwei Sensoren (bei
Reihenmontage) ≥ 2d sein.
Nichtbündig einbaubare Sensoren sind meist an ihren „Kappen“ zu
erkennen, da sie im Bereich um die aktive Fläche kein Metallgehäuse
haben. Die aktive Fläche muss ≥ 2 sn aus dem metallischen Einbau-
medium ragen. Die Distanz zu gegenüber liegenden Metallflächen
muss ≥ 3 sn und der Abstand zwischen zwei Sensoren ≥ 3d sein.
Ein gegenüberliegender Einbau von zwei Sensoren erfordert einen
Mindest abstand von a ≥ 3d zwischen den aktiven Flächen.
Werkstoffe Beschreibung
Ferromagnetische Werkstoffe Eisen, Stahl oder auch
magnetisierbare Werkstoffe
Buntmetalle Messing, Aluminium oder auch
nichtmagnetisierbare Werkstoffe
Sonstige Werkstoffe Kunststoffe, elektrisch
nichtleitfähige Werkstoffe
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
964
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Bündig einbaubare Sensoren können bis zur aktiven Fläche
in nichtferromagnetische Werkstoffe eingelassen werden.
Dabei kann es beim Einbau in Buntmetall zu einer Verringerung
des Schaltabstandes kommen.
Der Abstand zu gegenüberliegenden Metallflächen muss ≥ 3 sn
und die Distanz zwischen zwei Sensoren (bei Reihenmontage)
≥ 2d sein. Um den Sensor in ferromagnetische Werkstoffe einbauen
zu können, benötigt man folgende Richtwerte für das Maß x.
Für DC 2-Draht-Sensoren gilt:
Bei der Sensorfamilie Faktor 1 und
ATEX NAMUR, wird beim Einbau in
Metall das Maß x nicht benötigt.
Nichtbündig einbaubare Sensoren sind meist an ihren "Kappen"
zu erkennen, da sie im Bereich um die aktive Fläche kein
Metallgehäuse haben. Die aktive Fläche muss ≥ 2 sn aus dem
metallischen Einbaumedium ragen. Die Distanz zu gegenüber-
liegenden Metallflächen muss ≥ 3 sn und der Abstand zwischen
zwei Sensoren ≥ 3d betragen.
Einbau in Metall: Sensoren mit Schaltabstand ■ ■
Nichtbündig einbaubare
Sensoren
Bündig einbaubare
Sensoren
Baugröße d Maß x
Ø 3 mm 1 mm
Ø 4 mm 1,5 mm
M5 1,5 mm
Ø 6,5 mm 0 mm
M8 0 mm
M12 1,5 mm
M18 2,5 mm
M30 3,5 mm
Baugröße d Maß x
M8 0 mm
M12 0 mm
M18 0,7 mm
M30 3,5 mm
aktive
Fläche
Der gegenüberliegender Einbau
von zwei Sensoren erfordert einen
Mindest abstand von a ≥ 4d
zwischen den aktiven Flächen.
Gegenüberliegender Einbau
von zwei Sensoren
aktive
Fläche
Freizone
aktive
Fläche
965■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
aktive
Fläche
Quasibündig einbaubare Sensoren benötigen einen Raum hinter der
aktiven Fläche, der frei von leitfähigen Materialien ist. Dadurch steht
der genannte Schaltabstand ohne Einschränkung zur Verfügung.
Das Maß x (siehe Abb.) bezeichnet den kürzesten Abstand zwischen
aktiver Fläche und dem dahinterliegenden leitfähigen Material.
Der gegenüberliegende Einbau
von zwei Sensoren erfordert einen
Mindestabstand von a ≥ 5d zwi-
schen den aktiven Flächen.
Ausnahmen siehe Tabelle:
Einbau in Metall: Sensoren mit Schaltabstand ■ ■ ■ und ■ ■ ■ ■
Quasibündig einbaubare
Sensoren
Nichtbündig einbaubare
Sensoren
Gegenüberliegender Einbau
von zwei Sensoren
Schaltabstand ■ ■ ■ Schaltabstand ■ ■ ■ ■
Baugröße d Maß x für den Einbau in Maß x für den Einbau in
ferro-
magnetische
Werkstoffe
andere
Metalle
ferro-
magnetische
Werkstoffe
andere
Metalle
Ø 6,5 mm 2 mm 1 mm 3 mm 2 mm
M8 2 mm 1 mm 3 mm 2 mm
M12 2,5 mm 2 mm 4 mm 3 mm
M18 4 mm 2,5 mm
M30 8 mm 4 mm
8×8 mm mm
Baugröße d Maß a
Ø 3 mm 20 mm
Ø 4 mm 45 mm
M5 45 mm
Nichtbündig einbaubare Sensoren sind meist an ihren "Kappen" zu
erkennen, da sie im Bereich um die aktive Fläche kein Metallgehäuse
haben. Die Distanz zu gegenüber liegenden Metallflächen muss ≥ 3 sn
betragen.
Einbaubedingungen:
Baugröße d Maß b Maß c Maß e
Ø 3 mm ≥ 10 mm ≥ 30 mm ≥ 10 mm
Ø 4 mm ≥ 15 mm ≥ 40 mm ≥ 20 mm
M5 ≥ 15 mm ≥ 40 mm ≥ 20 mm
Ø 6,5 mm ≥ 8 mm ≥ 32 mm ≥ 8 mm
M8 ≥ 8 mm ≥ 32 mm ≥ 8 mm
M12 ≥ 10 mm ≥ 48 mm ≥ 12 mm
M18 ≥ 20 mm ≥ 72 mm ≥ 18 mm
M30 ≥ 35 mm
in Stahl
≥ 25 mm
in Buntmetall
≥ 20 mm
in Edelstahl
≥ 120 mm ≥ 30 mm
Freizone
aktive
Fläche
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
966
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Induktive Abstandssensoren
Die Abstandssensoren mit Analogausgang sind Sensoren, die ein
kontinuierlich variierendes Ausgangssignal generieren, das vom Ab-
stand zwischen ihrer aktiven Fläche und dem Bedämpfungselement
abhängt.
Der Bemessungsabstand ist der Punkt in der Mitte des Linearitäts-
bereichs sI und dient als Referenzpunkt für andere Angaben.
Der Linearitätsbereich entspricht dem Arbeitsbereich, in dem der
Abstandssensor eine definierte Linearität aufweist.
Die Linearitätsfehler gibt die maximale Abweichung der Kennlinie von
einer Bezugsgeraden an. Dieser Wert gilt für den Linearitätsbereich.
Die Grenzfrequenz entspricht der maximal möglichen Anzahl von
Schaltfolgen pro Sekunde. Die Bedämpfung erfolgt nach
EN 60947-5-2 mit Norm-Messplatten auf einer rotierenden, nicht-
leitenden Scheibe. Das Flächen ver hältnis von Eisen zu Nichtleiter ist
1 : 2. Der Bemessungswert der Grenzfrequenz (–3 dB-Grenze)
ist erreicht, wenn das Ausgangssignal auf ca. 70 % der ursprüng-
lichen Signalstärke abgesunken ist.
Durch die Messgeschwindigkeit kann der Abstand eines linear be-
wegten Objekts sicher erfordert werden. Dabei ist die Bewegungs-
richtung des Objekts parallel zur aktiven Fläche des Sensors.
Die Reaktionszeit ist die Zeit, die ein Sensor benötigt, um das Aus-
gangssignal sicher und stabil zu ändern. Die angegebene Zeit, die
bei maximaler Messgeschwindigkeit ermittelt wurde, enthält sowohl
die elektrische Reaktionszeit des Sensors als auch die Zeit für die
mechanische Änderung des Bedämpfungszustandes.
Die Steigung ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Sensors bezüg-
lich einer Wegänderung. Dieser physikalische Zusammenhang lässt
sich für Abstandssensoren folgendermaßen berechnen:
Der Temperaturdrift ist die Verschiebung, die ein Punkt auf der realen
Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen erfährt. Die Temperatur-
drift wird durch den Temperaturkoeffizienten beschrieben.
Der Temperaturkoeffizient beschreibt die Abweichung des Sensor-
ausgangssignals unter dem Einfluss einer Temperaturänderung.
Abstandssensoren
mit Analogausgang
Bemessungsabstand se
Linearitätsbereich sI
Linearitätsfehler
Grenzfrequenz (–3 dB)
Messgeschwindigkeit
Reaktionszeit
Steigung
Temperaturdrift
Temperaturkoeffizient TK
Steigung S [V/mm] =Ua max –Ua min
sl max –sl min
Steigung S [mA/mm] = Ia max –Ia min
sl max –sl min
bzw.
Norm
messplatte
Sensor
967■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenInduktive Sensoren
Toleranz T
Die Wiederholgenauigkeit ist der Wert der Ausgangssignalände-
rungen bei festgelegten Bedingungen, ausgedrückt in Prozent vom
oberen Abstand. Dabei muss im unteren, im oberen und in der Mitte
des Linearitätsbereiches gemessen werden. Sie entspricht der Wie-
derholgenauigkeit R von Näherungsschaltern und wird unter gleichen
Normbedingungen (EN 60947-5-2) ermittelt.
Wegsensoren mit Analogausgang erreichen den in der Norm defi-
nierten Wert R von ≤ 5 %.
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Präzision, die ein analoger
Sensor bei mehrfachem Anfahren auf einen Messpunkt erreicht. Der
auf Basis der Balluff Werksnorm (BWN Pr. 44) festgelegte Wert be-
schreibt dabei die maximale Abweichung von diesem Messpunkt.
Wiederholgenauigkeit R
Wiederholgenauigkeit RBWN
Die Toleranz ist eine Größe, die das fertigungsbedingte Toleranzband
der Kennlinie definiert und dadurch die maximale Exemplarstreuung
festlegt.
Baugröße
T für bündige
Sensoren
T für nichtbündige
Sensoren
Ø 6,5 mm ±0,125 mm
M8 ±0,1 mm ±0,15 mm
M12 ±0,125 mm ±0,25 mm
M18 ±0,3 mm ±0,5 mm
M30 ±0,6 mm ±0,8 mm
PG 36 ±0,1 mm
20×30×8 mm ±0,125 mm
80×80×40 mm ±1,0 mm
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive SensorenKapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
968
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Funktionsprinzip
Sensoren zur
Objekterfassung
(bündig)
Sensoren zur
Füllstandserfassung
(nichtbündig)
Nähern sich Gegenstände aus Metall oder Nichtmetall der aktiven
Fläche des kapazitiven Sensors an, ändert sich die Kapazität und der
Oszillator beginnt zu schwingen. Dadurch kippt die dem Oszillator
nachgeschaltete Triggerstufe und der Schaltverstärker ändert seinen
Ausgangs zustand. Die Schaltfunktion am Ausgang ist je nach Gerä-
tetyp Schließer, Öffner oder Wechsler. Die Funktion des kapazitiven
Sensors lässt sich an der Gleichung für die Kapazität erklären:
C = ε0 × εr × F × (1/S)
εr: als relative Dielektrizitätszahl
(Eigenschaft des abzufragenden Mediums)
ε0: als absolute Dielektrizitätszahl ist konstant
F: als Fläche
S: als Abstand
Aus oben stehender Formel folgt, dass Objekte, die eine hinreichend
große relative Dielektrizitätszahl (εr) und Fläche haben, vom
kapazitiven Sensor erfasst werden. Neben der Standardsensorik
(universell), bei dem der Aufnehmer Bestandteil der Oszillator-
schaltung ist, gibt es auch modernere Verfahren, die speziellen
Anwendungsanforderungen genügen.
Der berührungslose kapazitive Sensor wandelt eine produktionstech-
nisch zu überwachende Größe (Objekt- oder Füllstandserfassung)
in ein weiterverarbeitbares Signal um. Die Funktion beruht auf der
Änderung des elektrischen Feldes in der Umgebung der aktiven
Zone. Der Sensor besteht im Grundaufbau aus:
■ Sensorelektrode und Abschirmung
■ Oszillator
■ Demodulator
■ Trigger
■ Ausgangstreiber
Diese beiden Elektroden bilden den offenen Kondensator der
aktiven Fläche. Dieser ist Bestandteil eines RC-Oszillators.
Diese Sensoren haben ein geradliniges elektrisches Feld. Sie er-
kennen Festkörper (z. B. Wafer, Bauteile, Leiterplatten, Hybride,
Kartonagen, Papierstapel, Flaschen, Kunststoffblöcke und -platten),
erfassen Flüssigkeiten durch eine Trennwand (Glas oder Kunststoff,
Dicke max. 4 mm) hindurch und sollten im Einzelfall mit Mustern
vorab getestet werden.
Diese Sensoren haben ein kugelförmiges elektrisches Feld. Sie er-
fassen mit ihrer aktiven Fläche das abzutastende Produkt, Schüttgut
oder Flüssigkeiten (z. B. Granulat, Zucker, Mehl, Getreide, Sand, Öl
und Wasser), berührend oder durch die Trennwand eines Behälters.
Die Wahl des richtigen Sensors ist abhängig von den Einsatzbedin-
gungen und dem Medium und sollte im Einzelfall mit Mus tern vorab
getestet werden.
Sensorfeld und
-elektrode
Oszillator Demodulator Trigger Ausgangstreiber
Aktive Fläche
Sensorf
eld
Norm
messp
latt
e
Abschirmung
Sensorelektrode
969■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Gegenüberliegender
Einbau von zwei Sensoren
Der gegenüberliegender Einbau von zwei Sensoren erfordert einen
Mindestabstand von a ≥ 4d zwischen den aktiven Flächen.
Bündig einbaubare
Näherungsschalter
Bündig einbaubare Näherungsschalter können bis zur aktiven Fläche
in Metall eingelassen werden. Der Abstand zwischen zwei Nähe-
rungsschaltern (bei Reihenmontage) muss ≥ 2d sein.
aktive Fläche
Nichtbündig einbaubare
Näherungsschalter
Die aktive Fläche muss ≥ 2sn aus dem metallischen Einbau-
medium ragen. Der Abstand zwischen zwei Näherungsschaltern
muss ≥ 2d sein.
aktive
Fläche
Freizone
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive SensorenMagnetische Zylindersensoren
970
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Nennschaltabstand sn Der Nennschaltabstand ist eine Kenngröße ohne Berücksichtigung
von Fertigungstoleranzen, Exemplarstreuungen und äußeren Ein-
flüssen wie z. B. Temperatur und Spannung.
Hysterese Die Hysterese ist der Distanzunterschied zwischen dem Einschalt-
punkt (bei sich annäherndem Objekt) und dem Ausschaltpunkt
(bei sich wieder entfernendem Objekt).
Wiederholgenauigkeit Die Wiederholgenauigkeit ist die maximale Schaltabstandsdifferenz
zwischen zwei beliebigen Messungen, bemessen innerhalb
8 Stunden bei mehrfachem Anfahren des abzutastenden Objektes.
Die Wiederholgenauigkeit liegt in der Regel zwischen 2 und 5 % des
Realschaltabstands sr.
Realschaltabstand sr Der Realschaltabstand ist der Schaltabstand eines einzelnen Nähe-
rungsschalters, der bei festgelegten Bedingungen z. B. Einbauart
bündig, Bemessungsbetriebsspannung Ue, Temperatur Ta = +23 °C
±5 °C gemessen wird. Bei kapazitiven Sensoren ist der Realschal-
tabstand sr über Potenziometer einstellbar.
Aktive Fläche Die aktive Fläche ist der Bereich, durch den das hochfrequente
Sensorfeld in den Luftraum eintritt. Sie wird in erster Linie durch die
Grundfläche der Abdeckhaube bestimmt und entspricht ungefähr
der Fläche der äußeren Sensorelektrode.
Norm-Messplatte Die Norm-Messplatte ist eine geerdete, quadratische Platte aus
Fe 360 (ISO 630), mit der Schaltabstände s nach EN 60947-5-2
ermittelt werden.
Die Dicke ist d = 1 mm; und die Seitenlänge a entspricht
■ dem Durchmesser des eingeschriebenen Kreises der aktiven Fläche
oder
■ 3 sr, wenn der Wert größer als der genannte Durchmesser ist.
Schaltfrequenz Die Schaltfrequenz ist eine Folge von sich periodisch wiederholender
Be- und Entdämpfung des Sensors innerhalb eines festgelegten
Zeitintervalls (1 Sekunde). Messmethode in Anlehnung an
IEC 60947-5-2.
Temperaturdrift Die Temperaturdrift gibt an, um welchen Betrag sich der Schaltab-
stand in Abhängigkeit von der Temperatur ändern kann. Diese liegt
zwischen 15 und 20 % des Realschaltabstands sr (–5...+55 °C).
Umgebungstemperatur Ta Die Umgebungstemperatur legt den Temperaturbereich fest, bei
dem der Sensor betrieben werden darf. Balluff fertigt sowohl Sen-
soren für den Standardtemperaturbereich –30...+70 °C als auch
Sensoren für erhöhte Temperaturanforderungen bis max. +250 °C.
Schaltabstand
Hysterese
971■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Schaltfunktion Schließer Der Schaltausgang des Sensors ist in
unbedämpftem Zustand nicht durchgeschaltet (NO).
Öffner Der Schaltausgang des Sensors ist in
unbedämpftem Zustand durchgeschaltet (NC).
Kabel/Klemmen
Kabel/Klemmen
Schließer
Schließer
Schließer/Öffner codierbar
Schließer
Öffner
Öffner
Öffner
Kabel/Klemmen
PNP (+) schaltend
NPN (–) schaltend
PNP/NPN codierbar
DC 3-/4-Draht
AC/DC 2-Draht schutzisoliert (Schutzklasse II �)
Stecker
Stecker
Adernfarben, Kennzeichnung
nach DIN IEC 60757
BN braun
BK schwarz
BU blau
WH weiß
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive SensorenMagnetische Zylindersensoren
972
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Verpolschutz
Ausgangsstrom
oder Betriebsstrom Ie
Kurzschlussschutz
und Überlastschutz
Leerlaufstrom
Die Sensorelektronik ist gegen jede mögliche Verpolung bzw.
Vertauschung der Anschluss drähte geschützt.
Der Ausgangsstrom oder Betriebsstrom ist der maximale Strom, mit
dem der Sensor im Dauerbetrieb am Ausgang belastet werden darf.
Alle DC-Sensoren enthalten diese Schutzeinrichtung. Bei Überlast
oder Kurzschluss am Ausgang wird automatisch der Ausgangs-
transistor abgeschaltet. Sobald die Störung beseitigt ist, wird die
Ausgangs stufe wieder in Funktion gesetzt.
Der Leerlaufstrom ist der Eigenstromverbrauch des Sensors bei
maximaler Betriebsspannung UB ohne geschaltete Last.
Spannungsabfall Ud
Restwelligkeit
Der Spannungsabfall ist die Spannung, die über dem aktiven Aus-
gang des Näherungsschalters gemessen wird, wenn der Laststrom
unter festgelegten Bedingungen fließt.
Die Betriebsspannung ist der Spannungsbereich, in dem eine ein-
wandfreie Funktion des Sensors gewährleistet ist. Er beinhaltet alle
Spannungstoleranzen und Restwelligkeiten.
Die Restwelligkeit ist die höchst zulässige Wechselspannung, die der
Betriebsspannung UB überlagert sein darf, ohne dass die Sensor-
funktion beeinflusst wird.
Betriebsspannung UB
973■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenKorrekturfaktoren und
Leitwertangaben SMARTLEVEL
Einsatzbedingungen
und Korrekturfaktoren
Tritt ein elektrisch nichtleitendes Betätigungselement in das
Sensorfeld ein, ändert sich die Kapazität proportional zu εr und
zur Eintauchtiefe bzw. zum Abstand zur aktiven Fläche.
Da der Nennschaltabstand sn sich auf eine geerdete Norm-
Messplatte aus Fe 360 bezieht, müssen die Schaltabstände
für andere Materialien korrigiert werden.
Korrekturfaktoren für typische Materialien
Korrekturfaktoren sollen jeweils direkt mit dem zu detektierenden Material ermittelt werden.
Metall 1
Wasser 1
Glas 0.4...0.6
Keramik 0.2...0.5
PVC 0.2...0.47
Acrylglas 0.39...0.45
Polycarbonat 0.26...0.4
Ammoniak (30 %) Speiseessig
Milch/Buttermilch/Joghurt
Desinfektionsmittel (chlorhaltige Medien)
Industrielle Abwässer (Wahl des Sensors, je nach Leitfähigkeit des Mediums)
Trinkwasser Cola
Fruchtsaft
Kochsalzlösung
Zuckerlösung
verdünntHonig/Leim
Kühlschmiermittel Ketchup/Mayonnaise/Senf
Phosphorsäure (10 %)
Klarspüler
Zahnpasta Bier
Ameisensäure (30 %)
BCS Standard
bis ca. 0,7 mS
SMARTLEVEL 15
ca. 0,7...15 mS
SMARTLEVEL 50
ca. 15...50 mS
SMARTLEVEL 500+
ca. 50...500 mS
und höher
Blut
Meerwasser
Calciumchlorid (30 %)
Salzsäure (40 %)
Salpetersäure (12 %)
Schwefelsäure (10 %)
Marmelade
VE-Wasser
Mineralische Öle
Alkohol
Pflanzliche Öle
Die hier angegebenen Medien und Leitwerte sind nur Anhaltswerte
und dienen der groben Orientierung. In Einzelfällen sollten Tests
durchgeführt werden, da z. B. Temperatur und Konzentration der
Medien Einfluss auf die Leitwerte haben. Bitte sprechen Sie uns an.
Leitwerte weiterer Medien erhalten Sie auf Anfrage.
Einsatzbereich der
SMARTLEVEL-Sensoren
mit Leitwertangaben
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive SensorenMagnetische Zylindersensoren
974
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Festkörper unterschiedlicher Materialien erkennen
Mit einem bündigen kapazitiven Sensor soll eine Keramikplatte
abgefragt werden. Der Sensor wird auf den maximalen Nennschalt-
abstand sn von z. B. 4 mm auf Metall oder näherungsweise auf die
Hand eingestellt. Mit diesem voreingestellten Abstand von 4 mm
bewegt man den Sensor auf die Keramikplatte zu. Der Nennschalt-
abstand sn zur Keramikplatte hat sich auf ca. 2 mm verringert.
Diese 2 mm sind nun der maximal zulässige Schaltabstand zur
Keramikplatte. Die Justage geringerer Schaltabstände als 2 mm
ist zulässig.
Achtung!
Damit unsere Sensoren innerhalb Ihrer technischen Spezifikation
zuverlässig arbeiten, haben die Geräte einen größeren Erfassungs-
bereich als den im Katalog angegebenen maximalen Nennschalt-
abstand sn. Wird nun vom Anwender der Schalt abstand auf die
oben beschriebene Keramikplatte auf 4 mm justiert, arbeitet der
Sensor in einem unzulässigen Bereich. Dadurch besteht die Gefahr,
dass Temperatur- und sonstige Umwelteinflüsse sowie elektrische
Störgrößen im Netz zu Fehlschaltungen des Sensors führen können.
Füllstände durch Behälterwände erkennen
Mit einem bündigen kapazitiven Sensor soll durch eine Trennwand
eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, abgefragt werden. Diese Trennwand
darf nur aus Glas oder Kunststoff bestehen. Grundsätzlich ergibt
sich für die Berechnung der Wandstärke eine Dicke in Millimetern
aus ca. 10 bis 20 % des Schaltabstandes, jedoch max.
4 mm (für Standardsensorik).
Der Sensor wird nun mit seiner Stirnseite (aktive Fläche) an die
Glas- oder Kunststoffwand angeklebt oder möglichst formschlüssig
montiert. Der Behälter wird mit Wasser angefüllt, bis ca. 30 bis 50 %
der aktiven Fläche des Sensors bedeckt sind.
Insbesondere bei kleinen und kleinsten zu erfassenden Flüssigkeits-
mengen sowie bei nichtformschlüssigem Anbau des Sensors (flache
Sensorfläche an Behälterwandung mit geringem Radius) sollten
30 % als Bedeckungsfläche gewählt werden. Nun ist das Potenzio-
meter des Sensors solange nach links zu drehen (geringere Empfind-
lichkeit), bis dieser ausschaltet (bei Schließer-Version „LED-aus“).
Das Potenziometer ist nun wieder nach rechts zu drehen (Empfind-
lichkeit größer), bis die LED und somit das Ausgangssignal gerade
wieder einschaltet. Mit der hier beschriebenen Justierung ist gewähr-
leistet, dass der Sensor die Wandung oder Medienrückstände an der
Wandung nicht erkennt, sondern erst schaltet, wenn die Flüssigkeit
wieder das Niveau der zuvor beschriebenen 30 bis 50 % erreicht.
Bündige Sensoren
Mit dem geradlinigen Feld der bündigen Sensoren werden üblicher-
weise Objekte abgefragt. Um ein einwandfreies Schalten des
Sensors zu erreichen, muss vor dem Geräteeinsatz der maximale
Schaltabstand geprüft werden. Nachfolgende exemplarische
Applikationen erläutern, wie Sie dabei verfahren können.
Wandung
(max. 4 mm Glas oder Kunststoff)
Wasser
Metall
Keramik
Keramik
975■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenKapazitive Sensoren
Füllstände direkt im Behälter erkennen
Mit dem nichtbündigen kapazitiven Sensor soll in einem Behälter
Granulat abgefragt werden. Der Sensor wird nun mit seiner aktiven
Fläche (Freizone am Kopf wie im Katalog beschrieben) so in den
Behälter eingebaut, dass der Kopf vollständig mit dem Produkt
bedeckt ist.
Das Potenziometer des Sensors wird jetzt nach links gedreht
(Empfindlichkeit kleiner), bis die LED und somit das Ausgangssignal
ausschaltet. Anschließend wird das Potenziometer wieder nach
rechts gedreht (Empfindlichkeit größer), bis die LED und somit das
Ausgangssignal gerade wieder einschaltet. Danach muss noch eine
¼-Umdrehung (90°-Drehung) nach rechts erfolgen. Dadurch werden
mögliche Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeitsänderungen
des zu erfassenden Produkts ausgeglichen. Bei Medien mit hohem
εr, insbesondere Wasser, reagiert der Sensor wesentlich empfind-
licher. Daher sollte die Justage bei etwa 50 bis 80 % Bedeckung
durchgeführt oder ein Sensor der Serie SMARTLEVEL verwendet
werden.
Füllstände leitfähiger Flüssigkeiten direkt im Behälter
oder durch eine Behälterwand erkennen
Die idealen Füllstandsensoren SMARTLEVEL erkennen wässrige
Medien berührend sowie alle leitfähigen und auch anhaftenden
Flüssigkeiten durch dickere Behälterwände. Und dies justagefrei,
wenn die Behälterwand 6 mm nicht übersteigt. Bei dickeren Wänden
ist SMARTLEVEL zu justieren. Die Justage ist bei leerem und
gefülltem Behälter möglich.
Justage bei gefülltem Behälter
Zunächst Behälter füllen und Sensor an der Behälterwand installie-
ren. Jetzt hat SMARTLEVEL Kontakt und schaltet sich ein.
Nun das Potenziometer langsam gegen den Uhrzeigersinn drehen,
bis der Sensor ausschaltet. Das Potenziometer des ausgeschalteten
Sensors jetzt langsam im Uhrzeigersinn nach rechts drehen bis
der Sensor wieder einschaltet. Am Einschaltpunkt muss jetzt noch
etwa eine halbe Umdrehung (ca. 180°) nach rechts erfolgen und
SMARTLEVEL ist justiert.
Justage bei leerem Behälter
SMARTLEVEL an der Behälterwand installieren. Jetzt hat der Sen-
sor Kontakt und schaltet sich ein. Nun das Potenziometer langsam
gegen den Uhrzeigersinn drehen, bis der Sensor ausschaltet. Das
Potenziometer des ausgeschalteten Sensors jetzt langsam im Uhr-
zeigersinn nach rechts drehen bis der Sensor wieder einschaltet. Am
Einschaltpunkt muss das Potenziometer nur noch 3-mal jeweils um
etwa 360° nach links gedreht werden und SMARTLEVEL ist justiert.
Nichtbündige Sensoren
Diese kapazitiven Sensoren eignen sich durch ihr kugelförmiges
elektrisches Feld besonders als Füllstandserfasser für Flüssigkeit,
Granulat oder Pulver.
Wandung
Kunststoffgranulat
Wandung
Wasser
Bei den Füllstandsmeldern im Micro-Level-Gehäuse
ist eine Justage nur in Ausnahmefällen notwendig.
Dieses Potenziometer hat einen 270°-Einstellweg
und ist sehr vorsichtig zu justieren > kein Anschlag.
Wandung
(max. 10 mm Glas oder Kunststoff)
Wasser
Bei den Füllstandsmeldern im Micro-Level-Gehäuse
ist eine Justage nur in Ausnahmefällen notwendig.
Dieses Potenziometer hat einen 270°-Einstellweg
und ist sehr vorsichtig zu justieren > kein Anschlag.
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive SensorenMagnetische Zylindersensoren
976
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Vorteile
Nutzen
Funktion
Magnetische elektronische Zylindersensoren der Baureihe BMF
fragen die Kolbenstellung bei pneumatischen und hydraulischen
Zylindern und Greifern ab.
Je nach Bauform hat der Sensor ein Gehäuse aus Kunststoff, Alumi-
nium, Messing oder Edelstahl.
Balluff bietet bei den BMF-Sensoren eine überschaubare Anzahl an
Bauformen und Haltewinkeln für Ihre Pneumatikzylinder. Meist benö-
tigen Sie nur einen Sensortyp mit verschiedenen Haltewinkeln für die
unterschiedlichen Zylinderfabrikate und -größen. Dadurch reduzieren
Sie Ihre Lagerhaltungskosten. Die Befestigung mit Haltewinkeln er-
laubt einen Sensortausch ohne Neujustage.
Im Kolbenring des Pneumatikzylinders sind Dauermagnete einge-
baut, die der magnetische Zylindersensor durch die nichtmagneti-
sche Zylinderwandung erkennt. Bei Annäherung des Kolbens an den
Sensor springt das Ausgangssignal in den anderen Schaltzustand.
■ zuverlässiges, prellfreies Schaltverhalten
■ hohe Lebensdauer
■ berührungsloses und verschleißfreies Erkennen der Kolbenstellung
■ unempfindlich gegen Verschmutzung
■ Erfassen der Kolbenposition durch die Zylinderwandung
■ platzsparender Anbau, kleine Baugrößen und Bauformen
■ anbaubar auf alle gängigen Zylindergrößen
mit entsprechendem Haltewinkel
■ wesentlich größere Schaltabstände bei gleicher Baugröße
■ schaltet durch Wandungen aus Buntmetall und
Aluminium hindurch ohne Schaltabstandsreduzierung
■ bündig in Stahl einbaubarer Magnet
■ verpolungssicher
■ Betriebsspannung 10...30 V DC
■ reagiert auf beide Magnetfeldrichtungen gleich gut
■ Halbleitersensor verschleißfrei
■ vibrationsunempfindlich
■ kurzschlussfest
■ Gehäusematerialien mit hoher Beständigkeit
gegen aggressive Umweltmedien
977■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Funktionsprinzip
Magnetische
Zylindersensoren
Magnetische Sensoren
zur Objekterfassung
Magnetische Zylindersensoren werden hauptsächlich zum Über-
wachen der Kolbenposition an Zylindern und Greifern eingesetzt.
Das Feld des im Kolben integrierten Magneten detektiert der Sensor
durch die Aktorwand. Dank der berührungslosen Positionserfas-
sung funktionieren elektronische Magnetfeld-Sensoren von Balluff
zuverlässig und verschleißfrei: kein Kontaktabbrand, kein Prellen,
kein Kleben und nur ein Schaltpunkt. Auch bei hohen Verfahrensge-
schwindigkeiten wird die Kolbenposition zuverlässig erkannt.
Während bei den magnetischen Zylindersensoren für Pneumatikzy-
linder der Magnet im Zylinderkolben integriert ist, wird für Positions-
abfragen mit zylindrischen Magnetfeld-Sensoren ein externer Magnet
benötigt. Zylindrische Magnetfeld-Sensoren zeichnen sich durch
kleine, extrem kompakte Bauformen und sehr hohe Schaltabstände
aus. Das heißt, Sie können mit einem Sensor, der einen Durchmes-
ser von 6,5 mm hat, berührungslos Positionen abfragen, die bis zu
90 mm entfernt sind. Dabei sind diese Sensoren absolut industrie-
tauglich und schmutzunempfindlich. Da magnetische Felder viele
nicht magnetisierbare Werkstoffe durchdringen, können Positionen
auch durch Behälter oder Rohre hindurch abgefragt werden. Auch
das Detektieren von Codierungen mit Magnet ist möglich.
Magnetischer Zylindersensor BMF
Magnetring
Nichtmagnetische Zylinderwand
aus Aluminium oder Edelstahl
Magnetfeld
Magnetoresis-
tives Sensor-
element oder
Reed-Röhre
Trigger Ausgangstreiber
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
978
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Montageabstände
Justierung und Montage
Justierung und
Montage
Der Ansprechweg eines magnet-
feldempfindlichen Sensors ist
nahezu unabhängig vom Wert
der Feldstärke üblicher Kolben-
magnete. Trotzdem zeigt er keine
Mehrfachschaltpunkte.
Beim Ein satz mehrerer magnet-
feld empfind licher BMF-Sensoren
können diese direkt neben- bzw.
hintereinander montiert werden.
1. Kolben in die Endlage bringen.
2. Angeschlossener Sensor
vom Zylinderrand bis zum
1. Einschaltpunkt schieben
(LED leuchtet auf). Kante
des Sensors auf dem
Zylinder markieren.
3. Sensor weiterschieben
bis zum Ausschaltpunkt
(LED aus).
4. Sensor zurückschieben
bis zum 2. Einschaltpunkt.
Kante des Sensors auf
dem Zylinder markieren.
5. Kante des Sensors
zwischen beiden
Markierungen montieren.
979■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Einbau in Wechselstrom-
Schweißanlagen
BMF V-Twin
Temperaturlastkurve
Die magnetischen Zylindersensoren BMF 305M/315M/32M-..-W-..
können in Fremdfeldern mit einer Feldstärke bis zu Emax = 200 kA/m
betrieben werden. In unmittelbarer Nähe von Hochstromleitern z. B.
in Schweißanlagen wird dieser Grenzwert in vielen Fällen über-
schritten. Bei der Sensormontage muss deshalb ein Abstand dmin
zu den Leitern eingehalten werden, wie er in dem unten stehenden
Diagramm in Abhängigkeit vom Strom und von der Leiterdicke an-
gegeben ist.
BMF V-Twin ist ein ausgeklügeltes und kostengünstiges Stecker-
konzept mit zwei Sensoren und einem Stecker. Bei der Installation
reduzieren Sie Kosten und können Zeit gewinnen.
Günstigerer Anschaffungspreis gegenüber zwei einzelnen Sensoren:
BMF 204/214 ca. 20 % Ersparnis
BMF 303/305 ca. 30 % Ersparnis
BMF 307 ca. 35 % Ersparnis
Auf der Verteilerbox haben doppelt so viele Sensoren Platz.
für Baureihe BMF 10E,
BMF 21, BMF 32, BMF 305,
BMF 307, BMF 315.
für Baureihe BMF 305M...SA4
und BMF 315M...SA3
mit erhöhtem Temperaturbereich
(–25...+105 °C).
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren
980
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Der Temperaturdrift ist die Verschiebung, die ein Punkt auf der realen
Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen erfährt. Die Temperatur-
drift wird durch den Temperaturkoeffizienten beschrieben.
Die Temperaturkoeffizient beschreibt die Abweichung des Sensor-
ausgangssignals unter dem Einfluss einer Temperaturänderung und
ist somit auch ein Qualitätskriterium des Sensors.
Die Toleranz ist eine Größe, die das fertigungsbedingte Toleranzband
der Kennlinie definiert und dadurch die maximale Exemplarstreuung
festlegt.
Wegsensoren mit Analogausgang sind Sensoren, die ein kontinu-
ierlich variierendes Ausgangssignal generieren, das vom Abstand
zwischen ihrer aktiven Fläche und der Lage des Positionsgebers
relativ zum Sensor (BIL) abhängt.
Der Arbeitsbereich ist der für die Positionserfassung nutzbare Ver-
fahrweg.
Der Bemessungsabstand ist der Punkt in der Mitte des Linearitäts-
bereichs sI und dient als Referenzpunkt für andere Angaben.
Der Linearitätsbereich entspricht dem Arbeitsbereich, in dem der
Wegsensor eine definierte Linearität aufweist.
Der Linearitätsfehler gibt die maximale Abweichung der Kennlinie von
einer Bezugsgeraden an. Dieser Wert gilt für den Linearitätsbereich.
Durch die Messgeschwindigkeit kann die Position (bei BIL) eines
linear bewegten Objekts sicher erfasst werden. Dabei ist die Bewe-
gungsrichtung des Objekts parallel zu seiner aktiven Fläche.
Die Reaktionszeit ist die Zeit, die ein Sensor benötigt, um das Aus-
gangssignal sicher und stabil zu ändern. Die angegebene Zeit, die
bei maximaler Messgeschwindigkeit ermittelt wurde, enthält sowohl
die elektrische Reaktionszeit des Sensors als auch die Zeit für die
mechanische Änderung des Bedämpfungszustandes.
Die Steigung ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Sensors bezüg-
lich einer Wegänderung. Dieser physikalische Zusammenhang lässt
sich für Wegsensoren folgendermaßen berechnen:
Wegsensoren
mit Analogausgang
Arbeitsbereich sa
Bemessungsabstand se
Linearitätsbereich sI
Linearitätsfehler
Messgeschwindigkeit
Reaktionszeit
Steigung
Temperaturdrift
Temperaturkoeffizient TK
Toleranz T
Steigung S [V/mm] =Ua max –Ua min
sa max –sa min
Steigung S [mA/mm] = Ia max –Ia min
sa max –sa min
bzw.
Magneto-induktive Wegsensoren
981■ www.balluff.com
Grundlagen und DefinitionenMagnetische Zylindersensoren
Die Wiederholgenauigkeit ist der Wert der Ausgangssignaländerun-
gen bei festgelegten Bedingungen, ausgedrückt in Prozent vom
oberen Abstand. Dabei muss im unteren, im oberen und in der Mitte
des Linearitätsbereiches gemessen werden. Sie entspricht der Wie-
derholgenauigkeit R von Näherungsschaltern und wird unter gleichen
Normbedingungen (EN 60947-5-2) ermittelt.
Wegsensoren mit Analogausgang erreichen den in der Norm defi-
nierten Wert R von ≤ 5 %.
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt die Präzision, die ein analoger
Sensor bei mehrfachem Anfahren auf einen Messpunkt erreicht. Der
auf Basis der Balluff Werksnorm (BWN Pr. 44) festgelegte Wert be-
schreibt dabei die maximale Abweichung von diesem Messpunkt.
Wiederholgenauigkeit R
Wiederholgenauigkeit RBWN
Ausgangskennlinien
Einbauhinweise Für den Ein- bzw. Anbau des BIL und des Positionsgebers werden
nichtmagnetisierbare Materialien wie Buntmetalle, austenitische
Stähle, Kunststoffe etc. empfohlen. Dies gilt sowohl für die Montage
des Sensors als auch für die des Positionsgebers.
Magnetisierbare Materialien können Geometrie und Stärke des wirk-
samen Gebermagnetfelds beeinflussen.
Magnetfelder in der Umgebung des BIL können je nach Lage und
Stärke das Ausgangssignal beeinflussen. Dies gilt auch für Positions-
geber benachbarter BIL.
Angaben in mm
Empfohlene Mindestabstände zu magnetisierbaren Materialien oder
zu weiteren BIL
BIL AMD0 BIL EMD0 BIL ED0
Allgemeine Grundlagen
Spezifische GrundlagenOpto- elektronische Sensoren
Ultraschall Sensoren
Induktive Sensoren
Kapazitive Sensoren
Magnetische Zylindersensoren