Als Faustregel gilt: 80 % der Ausfälle induktiver Näherungsschalter sind die Folge mechanischer Beschädigung. Funktionsbedingt ist die Stirnseite mit der aktiven Fläche die empfindlichste Stelle. Genau dort befinden sich aber die zu erfassenden Teile. Typischerweise verursacht das ständige Anschlagen oder Schleifen der zu detektierenden Objekte den Sensorausfall. Da sich in der Praxis solche Ereignisse nie ganz verhindern lassen, ist es wichtig, möglichst beschädigungstolerante Geräte einzusetzen.

Induktive Näherungsschalter reagieren auf die Bedämpfung des magnetischen Wechselfelds eines Schwingkreises, das eine Schwingkreisspule erzeugt. Die Spule wiederum befindet sich direkt hinter der Stirnseite des Sensors. Das magnetische Wechselfeld kann – spezielle Lösungen ausgenommen – metallische Flächen nicht durchdringen. Aus diesem Grund besteht die Stirnseite meistens aus Kunststoff und bildet damit eine potenzielle Schwachstelle bei mechanischer Beanspruchung.

Die Ausfallwahrscheinlichkeit nimmt mit zunehmender Entfernung von den zu erfassenden Objekten ab. Deshalb wirkt sich ein höherer Schaltabstand positiv auf die Verfügbarkeit von Anlagen ab.

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Eine naheliegende Alternative ist es, die aktive Fläche statt mit Kunststoff mit metallischen Werkstoffen zu ummanteln, da metallische Flächen für magnetische Wechselfelder nicht grundsätzlich undurchdringlich sind. Ist die Metallfläche dünn genug und die Arbeitsfrequenz niedriger als üblich, gelingt eine Objekt-Erfassung durchaus auch durch Metallflächen hindurch. Nur hat diese „Verbesserung“ entscheidende Nachteile: Aufgrund der notwendigen dünnen Metallwand fällt der mechanische Schutz entsprechend gering aus.

Ferner hat die Reduktion der Arbeitsfrequenz Konsequenzen: Die Schwingkreisgüte verschlechtert sich stark und damit tendenziell der Nutzschaltabstand. Gleichzeitig reagieren solche Sensoren empfindlich auf Temperaturänderungen und EMV-Störungen. Gegenstände aus Buntmetall lassen sich überhaupt nicht mehr erfassen und die nutzbare Schaltfrequenz sinkt deutlich.

Auch Kernbruch stellt ein Problem dar: Erfolgt durch mechanische Überbeanspruchung eine Verformung des Gehäuses, kann der empfindliche (brüchige) Ferritkern unmittelbar unter der Stirnfläche Schaden erleiden. Dadurch steigen die Schwingkreisverluste irreversibel, was einer Vorbedämpfung des Geräts gleichkommt. Die Folgen sind gravierend: Je nach deren Ausmaß verändert sich der Schaltabstand des Näherungsschalters oder er schaltet permanent durch. In beiden Fällen muss das Gerät letztendlich ersetzt werden.

Der erhöhte Schutz durch eine dünne metallische Stirnseite wird so mit schwerwiegenden Nachteilen erkauft.

Mehr Abstand, mehr Sicherheit

Daher hat die Firma Contrinex schon vor Jahren das Condist-Verfahren entwickelt, mit dem die Sensoren bis zu dreifach höhere Schaltabstände erreichen. Bei dem Verfahren erzeugt wie bei klassischen induktiven Sensoren ein Schwingkreis-Oszillator ein hochfrequentes Magnetfeld, das an der aktiven Fläche austritt. Den wichtigsten Beitrag dazu liefert der patentierte Condist-Oszillator. Dessen höhere Stabilität ermöglicht eine Verschiebung des Schaltpunkts hin zu größeren Schaltabständen – bis zum Dreifachen des üblichen Schaltabstands – und die Sensoren reagieren besser auf längliche Objekte wie Drähte. Zudem resultiert daraus eine wesentlich höhere Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen, vor allem gegenüber Temperaturschwankungen.

Durch den größeren Schaltabstand können die Geräte entsprechend weiter von bewegten Teilen entfernt montiert werden, was die Gefahr mechanischer Beschädigung stark reduziert. Allerdings reagieren auch diese Geräte empfindlich auf Kernbruch.

Mit einer anderen Technologie lässt sich die Betriebszuverlässigkeit nochmals steigern. Bei dem „Condet“ genannten Verfahren wird die das Magnetfeld erzeugende Spule – anders als bei herkömmlichen induktiven Sensoren – nicht als Teil eines Oszillators eingesetzt. Stattdessen erzeugt die Spule das Magnetfeld durch kurze, periodische Sendestrom-Impulse. Das Feld induziert im zu erfassenden Objekt eine Spannung. Nach dem Abschalten des Sendestrom-Impulses klingt der im Objekt induzierte Strom ebenfalls ab. Dadurch wird in der Sendespule eine Spannung rückinduziert. Dies ist das Nutzsignal, das im Prinzip unabhängig von Energieverlusten im Feld ist. Die transformatorische Kopplung zwischen Objekt und Sendespule ist temperaturunabhängig sowie nur in geringem Maße vom Objektmaterial beeinflusst.

Typisches Schadensbild eines Standardsensors mit Kunststoffkopf.

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Vom ursprünglichen induktiven Erfassungsprinzip ist lediglich das magnetische Wechselfeld mit all seinen Vorteilen geblieben. Ansonsten gibt es weder Schwingkreis noch Schwingkreisgüte, keinen Oszillator und auch keine Vorbedämpfung. Schwingkreisverluste, die schwierig stabil zu halten sind, gehören bei diesen Schaltern der Vergangenheit an. Auch fehlt das Mehrspulensystem, wie es das Differential-Transformator-Verfahren erfordert und bei dem die gegenüberliegenden Positionen der Spulen absolut konstant gehalten werden müssen.

Ein solides, 1 mm dickes Stahlblech (bei M30) schützt die aktive Fläche der Sensoren, die gegenüber herkömmlichen Sensoren dreifach höhere Schaltabstände erzielen. Aber vor allem ist das Verfahren völlig unempfindlich gegen, auch vielfachen Kernbruch: Sogar komplett zerbröselt, bleibt die Funktion der Geräte erhalten.

Bei der Abwägung, ob sich die gegenüber Standard-Sensoren etwa 20 % bis 50 % teureren Condet-Geräte in der praktischen Verwendung lohnen, gilt der Grundsatz: Je höher die Ausfallrate marktüblicher Näherungsschalter, desto effizienter ist deren Ersatz. Typische Einsatzorte sind etwa Schweißstationen, – vor allem Widerstands- und Lichtbogenschweißen. Die dort entstehenden heißen Metall- und Schlackenspritzer schmelzen nicht in die Oberfläche ein. Störende Beläge können auch unter Einsatz grober Reinigungsverfahren wie Stahlbürsten oder Stichel ohne Gefahr für das Gerät entfernt werden. Bei permanentem Kontakt mit Schneidölen und Kühlmitteln von Werkzeugmaschinen werden Kunststoffe über kurz oder lang immer angegriffen, besonders wenn zusätzliche mechanische Beanspruchungen auftreten. Die Teflonschicht marktüblicher Geräte wird wegen ihrer geringeren mechanischen Festigkeit bereits nach kurzer Zeit genauso angegriffen wie beim Einsatz im Spanablagebereich von Werkzeugmaschinen durch das andauernde Reiben der Späne an der Kunststoffoberfläche. Aktive Flächen aus Stahl halten diesen Anforderungen dagegen problemlos stand.

In der Blechbearbeitung können Bleche in der Regel nicht präzise geführt werden. Die aktive Fläche der Näherungsschalter ist daher immer potenziellen Berührungen durch die Bleche (permanentes Schleifen oder Schläge) ausgesetzt. Aktive Flächen aus Edelstahl, in Verbindung mit großen Schaltabständen und der Unempfindlichkeit gegen Kernbruch, führen hier zu einer stark erhöhten Lebensdauer der Geräte.

Autor: Arno Stracke ist Vertriebsingenieur im Geschäftsfeld Sensorik bei der Firma Contrinex.