Induktive Näherungsschalter

Induktive Näherungsschalter auch Initiatoren arbeiten meistens nach dem Prinzip der Wirbelstromsensoren und sind in der Automatisierungs- und Verfahrenstechnik weit verbreitet. Sie sind durch ihre einfache und geschlossene Bauweise resistent gegen Umwelteinflüsse und zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus.

Vereinfachter Aufbau eines induktiven Näherungsschalters

Aufbau

Der induktive Näherungsschalter ist aus folgenden Komponeten aufgebaut:

• Spule
• Ferritschalenkern

Funktionsprinzip

Der induktive Näherungsschalter baut auf dem Prinzip des Queranker-Aufnehmers auf. Die Spule wird von einem Wechselstrom durchflossen und generiert ein Magnetfeld, dass durch den Ferritschalenkern so gerichtet wird, dass es nur an einer Seite austreten kann. Die Austrittsseite des Magnetfeldes ist die aktive Fläche des induktiven Näherungsschalters. Befindet sich an der aktiven Seite des Sensors ein magnetisch leitendes Material, wird das gerichtete Magnetfeld beeinflusst, was eine Impedanzänderung zur Folge hat. Besteht die Bedämpfungsfahne aus einem elektrisch leitenden Signal, entstehen Wirbelströme, die dem Magnetfeld Energie entziehen.

Durch die Annäherung einer Bedämpfungsfahne wird die Impedanz der Sensorspule verändert. Der Ohm'sche Anteil von Z wird vergrößert und die Spulengüte Q verkleinert. Der Effekt wird wesentlich von der elektrischen Leitfähigkeit und von der Permeabilitätszahl der Bedämpfungsfahne beeinflusst.

Betrachtet man das Prinzip des induktiven Näherungsschalters als Transformator-Ersatzschaltbild bildet die Sensorspule den Primärkreis und die Metallfahne und der Widerstand des Wirbelstromkreises den Sekundärkreis.

Folgendes Bild zeigt das Transformator-Ersatzschaltbild eines induktiven Näherungsschalters mit Bedämpfungsfahne:

Berechnungen

Scheinwiderstand

${\underline {Z}}={\cfrac {\underline {U_{1}}}{\underline {I_{1}}}}=\left(R_{1}+j\omega \cdot L_{1}\right)+\left(R_{2}-j\omega \cdot L_{2}\right)\cdot {\cfrac {\omega ^{2}\cdot M_{12}^{2}}{R_{2}^{2}+\left(\omega \cdot L_{2}\right)^{2}}}\;$

Realteil

$Re\left({\underline {Z}}\right)=R_{1}+R_{2}\cdot {\cfrac {\omega ^{2}\cdot M_{12}^{2}}{R_{2}^{2}+\left(\omega \cdot L_{2}\right)^{2}}}\;$

Imaginärteil

$Im\left({\underline {Z}}\right)=\omega \cdot L_{1}-\omega \cdot L_{2}\cdot {\cfrac {\omega ^{2}\cdot M_{12}^{2}}{R_{2}^{2}+\left(\omega \cdot L_{2}\right)^{2}}}\;$

Reduktionsfaktor

Der Reduktionsfaktor ist ein Korrekturfaktor, der beschreibt, wie weit sich der Schaltabstand verringert, wenn als Bedämpfungsfahne ein anderes Material als St37 verwendet. Wichtigste Größen des verwendeten Material für die Bedämpfungsfahne sind die Leitfähigkeit und die Permeabilität.

${\text{Reduktionsfaktor}}={\cfrac {s}{s_{n}}}\;$

Folgende Tabelle führt typische Werte für den Reduktionsfakor auf:

Material der Bedämpfungsfahne	Reduktionsfaktor
Baustahl	1
Aluminiumfolien	1
Rostfreier Stahl	0,85
Aluminium	0,4
Messing	0,4
Kupfer	0,3