Von Dr. Detlef Zienert

Kapazitive Sensoren dienen der berührungslosen Erfassung beliebiger Objekte und eignen sich im Gegensatz zu ihren induktiven Pendants auch für nichtmetallische Materialien. Der Sensor kann entweder so eingebaut werden, dass er direkt mit dem Füllgut in Berührung kommt und ein Signal sendet, wenn ein vorher definierter Füllstand über- oder unterschritten wird, oder aber der Sensor erkennt Medien durch die Behälterwandung hindurch, ohne mit dem Füllgut in Berührung zu kommen. Dadurch erübrigen sich Bohrungen durch die Behälterwand hindurch, die später zu Dichtigkeitsproblemen und Leckagen führen können.

Im Gegensatz zu Standardsensoren, die sich bei Wandstärken bis maximal 4 mm einsetzen lassen, erfasst der FSA Füllstände auch durch Wandstärken bis 10 mm.

Das aktive Element eines herkömmlichen kapazitiven Sensors gleicht den Elektroden eines aufgeklappten Kondensators und besteht aus zwei konzentrischen Elektroden, der Sensor-Elektrode und der Abschirmung. Die beiden Elektroden sind im Rückkopplungszweig eines Hochfrequenz-Oszillators so angeordnet, dass er sich im ungedämpften Zustand im Gleichgewicht befindet und nicht schwingt. Dringt ein beliebiges Objekt in das elektrische Feld dieses Kondensators ein, kommt es zu einer Änderung der Koppelkapazität und der Oszillator beginnt zu schwingen. Wird eine bestimmte Schwingungsamplitude überschritten, kippt die nachgeschaltete Triggerstufe und der Schaltverstärker ändert seinen Ausgangzustand. Dabei kann die Schaltfunktion am Ausgang je nach Gerätetyp Schließer, Öffner oder Wechsler sein.

Damit der Sensor vernünftige Mess-Ergebnisse liefern kann, muss der Anwender ihn jedoch zuvor mit Hilfe eines Trimmpotentiometers an die spezifischen Bedingungen der Applikation anpassen. Dabei gilt es, die Empfindlichkeit des Gerätes so zu justieren, dass der kapazitive Sensor bei der Messung von außen zwar die Behälterwand „übersieht“, beim Blick auf die Summe von Behälterwand und Produkt jedoch sicher schaltet. Dies ist der Knackpunkt: Gerade bei kritischen Medien, die zur Bildung von Flüssigkeitsfilmen oder anderen Anhaftungen an der Behälterwand führen, können sich diese Einstellarbeiten als sehr schwierig, zeitaufwendig und fehleranfällig gestalten. Selbst bei häufigerem Nachjustieren kommt es hier zur Vorspiegelung falscher Füllstände und damit zu Fehlschaltungen.

An dieser Stelle setzt Balluff mit dem „Smart-Level-Sensor“ an, der alle Flüssigkeiten mit Dipol-Eigenschaften wie wässrige Lösungen, Säuren und Laugen erkennt. Dabei wird die nicht leitende Behälterwand automatisch kompensiert. Betauungseffekte an der Innen- und Außenwandung des Behälters beeinflussen die Messung ebenso wenig wie Anhaftungen, Verschmutzungen, Flüssigkeitsfilme oder Schaumbildungen, die ausgeblendet werden. Zudem muss der Anwender im Gegensatz zu konventionellen Sensoren den Füllstandsmelder in der Regel weder im laufenden Betrieb noch bei einem Austausch des Mediums nachjustieren.

Das Prinzip der Selbstkompensation

Der Füllstandsmelder arbeitet mit einem speziellen Hochfrequenz-Oszillator, dessen Schwingungsbedingungen durch zwei zu erfassende Kapazitäten genau gegenläufig beeinflusst werden und einen Selbstabgleich bewirken. So misst der Sensor (im Gegensatz zu konventionellen kapazitiven Sensoren) über zwei Elektroden unabhängig voneinander, zum einen die Kapazität der Behälterwandung ohne Erdbezug, zum anderen die Kapazität und den Leitwert des Mediums mit Erdbezug. Sieht der Sensor keinen Behälter, so schwingt der Oszillator mit mittlerer Schwingungsamplitude. Hat der Sensor jedoch Kontakt mit der Behälterwand, erhöht sich die Schwingungsamplitude. Wird der Behälter befüllt, führt die Kapazität des Mediums mit Erdbezug zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude am Ausgang auf bis zu 0V. Während bei herkömmlichen kapazitiven Sensoren noch eine individuelle Justierung auf den jeweiligen Behälter erforderlich ist, ist diese Anpassung an die Kapazität und Dicke der Behälterwand bei der Balluff-Lösung obsolet.

Darüber hinaus erkennt das Gerät Füllstände, ohne dass dünne, stark leitende Flüssigkeitsfilme oder Anhaftungen zu Fehlschaltungen führen. Diese Eigenschaft resultiert aus einer höheren Arbeitsfrequenz und einer niedrigeren Quellenimpedanz des Smart-Level-Sensors: Zur Füllstandserkennung nutzt der selbstkompensierende Sensor eine Arbeitsfrequenz von 6,5MHz, die somit nahezu siebenmal höher ist als bei einem herkömmlichen kapazitiven Sensor. Ergo ist der Blindwiderstand zwischen aktiver Fläche und Flüssigkeit oder Film reduziert, der Sensor kann die exakte Füllhöhe des Mediums störungsfrei erkennen, sofern die Summe aus Leitfähigkeit und Kapazität hinreichend groß ist.

Ein Anwendungsbeispiel ist eine Ölsprühanlage, in der der Smart-Level-Sensor durch die 5mm starke Wandung eines Kunststoffbehälters den Füllstand eines Öl-Graphit-Gemisches erfasst. Das Medium wird auf Metallbleche gesprüht, damit diese sich beim Kaltverformen besser biegen lassen. Herkömmliche Sensoren sind hier fehl am Platz, da sich durch den Einsatz von Graphit an der Behälterinnenwandung stark leitfähige Anhaftungen bilden.

Autor

Dr. Detlef Zienert ist bei Balluff in Neuhausen im Bereich Business Development und Marketing für PR zuständig.