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Sensor

Kapazitiver Näherungssensor

Berechnen Sie die Kapazität und Empfindlichkeit (pF/mm) zwischen Sensorplatte und Ziel. Entwerfen Sie kapazitive Näherungs- und Berührungssensorerkennungsschaltungen.

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Formel

C=ε0εrA/dC = ε₀εᵣA/d
ε₀— 8,854 × 10°² F/m (F/m)
εᵣ— Relative Permittivität

Wie es funktioniert

Dieser Rechner berechnet kapazitive Näherungssensorparameter wie Kapazität und Empfindlichkeit im Verhältnis zur Entfernung, was für Ingenieure der industriellen Automatisierung, Entwickler von Füllstandssensoren und Touchscreen-Entwickler unverzichtbar ist. Kapazitive Sensoren erkennen Objekte, indem sie die Kapazitätsänderung messen, wenn sich ein Ziel der Sensorelektrode nähert. Die Parallelplattenkapazität ist C = e0 er A/d, wobei e0 = 8,8541878128e-12 F/m (Vakuumpermittivität gemäß CODATA 2018), er ist die relative Permittivität (Luft = 1,0, Glas = 4-10, Wasser = 80, menschlicher Körper = 50-80), A ist die Elektrodenfläche und d ist der Spaltabstand. Die Empfindlichkeit dC/dd = -e0 er A/d^2 nimmt bei kürzeren Entfernungen zu (umgekehrte quadratische Beziehung). Kapazitive Industriesensoren (Balluff, IFM, Omron) erreichen einen Erfassungsbereich von 1—25 mm mit einer Wiederholbarkeit von +/- 10% gemäß IEC 60947-5-2. Schaltungen zur Kapazitätsmessung verwenden Oszillator-Frequenzverschiebung (delta_f/f proportional zu delta_C), Ladungsübertragung (QTouch) oder Sigma-Delta-Modulation (AD7745, 4 aF-Auflösung). Der Temperaturkoeffizient liegt aufgrund der Elektrodenausdehnung und der Änderung der Permittivität in der Regel bei 0,3% /C.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie einen kapazitiven Füllstandssensor für eine 5 mm dicke HDPE-Tankwand (er = 2,3). Die Elektrode ist 50 mm x 100 mm groß. Berechnen Sie die Kapazität durch die Wand und die Empfindlichkeit gegenüber dem Vorhandensein von Wasser (er = 80).

Lösung:

  1. Elektrodenfläche: A = 0,05 * 0,1 = 0,005 m^2
  2. Abstand durch die HDPE-Wand: d = 5 mm = 0,005 m
  3. Kapazität (Luft hinter der Wand): c_AIR = 8,854e-12 2,3 0,005/0,005 = 20,4 pF
  4. Moment, Randfelder müssen berücksichtigt werden. Effektive Fläche ~1,5-fach geometrisch: A_eff = 0,0075 m^2
  5. Bei vorhandenem Wasser: er_eff = (er_HDPE er_water) ^0,5 = (2,3 80) ^0,5 = 13,6 (vereinfacht)
  6. C_Wasser = 8,854e-12 13,6 0,0075/0,005 = 181 pF
  7. Delta_C = 181 - 30,6 = 150 pF (Luft C_air = 30,6 pF mit Randfeld)
  8. Erkennungsschwelle: Für eine zuverlässige Erkennung auf 50 pF über dem Luftbasiswert eingestellt
  9. Verwenden Sie AD7746 CDC (24-Bit, +/-4 pF-Bereich, 4 aF-Auflösung) im Hochbereichsmodus

Ergebnis: Die Kapazität ändert sich durch eine 5 mm dicke HDPE-Wand von 31 pF (Luft) auf 181 pF (Wasser). Stellen Sie den Schwellenwert auf 80 pF ein, um eine zuverlässige Füllstandserfassung mit Marge zu gewährleisten.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie eine geschützte Elektrodenkonstruktion (Driven-Shield), um das elektrische Feld auf die aktive Fläche zu beschränken und Interferenzen von Seiten und Rückseite abzuwehren; die Schutzelektrode wird mit dem gleichen Potenzial betrieben wie die Messelektrode gemäß AN-1301 von Analog Devices
  • ✓Wählen Sie für die Füllstandserfassung durch nichtmetallische Behälterwände einen Sensor, der für die Permittivität der Flüssigkeit ausgelegt ist. Wasser (er = 80) liefert ein starkes Signal, Öle (er = 2-4) erfordern höhere Empfindlichkeitseinstellungen gemäß den Anwendungshinweisen von Balluff
  • ✓Reduzieren Sie die Temperaturempfindlichkeit durch Differenzmessung (zwei Elektroden mit entgegengesetzten Spaltänderungen) anstelle einer einzigen absoluten Kapazität; dadurch wird der Gleichtaktfehler der thermischen Ausdehnung auf < 0,05% /C reduziert

Häufige Fehler

  • ✗Umweltverschmutzung ignorieren: Wasser (er = 80) oder Öl auf der Sensoroberfläche erhöhen die Kapazität drastisch, was zu Fehlauslösungen führt. Verwenden Sie flächenbündig montierte Sensoren mit Schutzelektrodendesign für feuchte Umgebungen gemäß IFM-Anwendungshandbuch
  • ✗Überschreitung des linearen Erfassungsbereichs: Die Kapazität variiert um 1/d, sodass die Empfindlichkeit stark nichtlinear ist. Innerhalb der ersten 2 mm in der Nähe der Platte ist der Sensor extrem empfindlich und sättigt sich leicht bei kleinen Verschiebungsänderungen
  • ✗Montage neben Metall (Einbettungseffekt): Die leitfähigen Montageteile im Randfeld des Sensors wirken wie ein virtuelles Ziel; halten Sie die metallfreie Zone mit dem 2-fachen Erfassungsabstand gemäß den Installationsanweisungen des Herstellers ein

Häufig gestellte Fragen

Kapazitive Sensoren erkennen sowohl leitende als auch nichtleitende Materialien, wenn sich ihre Permittivität ausreichend von der Luft unterscheidet (er = 1). Metalle lassen sich leicht erkennen (sie schließen das elektrische Feld kurz, wodurch Delta_C maximiert wird). Kunststoffe (er = 2-4), Glas (er = 4-10), Holz (er = 2-5), Wasser (er = 80) und körnige Materialien sind nachweisbar, wenn ihre Permittivität die Kapazität über die Erkennungsschwelle (typischerweise 0,5-2 pF) verschiebt. Der Erfassungsbereich wird als sqrt (er) skaliert: Wasser ist gemäß den Prüfmethoden nach IEC 60947-5-2 im 3-fachen Bereich von Kunststoff nachweisbar.
Induktive Sensoren erkennen nur leitfähige (metallische) Objekte, indem sie die Wirbelstromverluste in einer Oszillatorspule messen; Bereich 2-60 mm für Eisenmetalle, 40% weniger für Nichteisenmetalle (Aluminium, Kupfer). Kapazitive Sensoren erkennen jedes Material mit er > 1, einschließlich nichtmetallischer Objekte wie Kunststoffe, Flüssigkeiten und Papier. Nachteile: Kapazitive Sensoren reagieren empfindlicher auf Verunreinigungen (Wasserfilme, Staub) und haben eine geringere Reichweite (typischerweise 1—25 mm), können aber auch nichtmetallische Behälterwände durchdringen. Verwenden Sie gemäß den Auswahlleitfäden von IFM und Balluff induktive Geräte für die Metallerkennung, kapazitive für nichtmetallische oder Füllstandsmessungen.
Viele industrielle kapazitive Sensoren verfügen über eine Teach-In-Funktion (Potentiometer oder Taster), mit der die Auslöseschwelle auf einen bestimmten Abstand eingestellt wird. Vorgehensweise: Positionieren Sie den Sensor in der gewünschten Erfassungsdistanz bei vorhandenem Ziel, aktivieren Sie das Teach-In, und der Sensor speichert diese Kapazität als Einschaltpunkt. Die Hysterese (in der Regel 10-20% des Erfassungsabstands) wird automatisch angewendet, um ein Rattern zu verhindern. Dabei wird die tatsächliche Installationsgeometrie, das Zielmaterial und die Umgebungsbedingungen gemäß den Betriebsanleitungen der Sensoren von Omron und Sick kalibriert.

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