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Datenblatt Kapazitive Sensoren

Die kapazitiven Sensoren ermitteln berührungslos und extrem hochauflösend den Abstand zu metallisch leitenden Objekten. Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Grösse zur Distanzmessung eingesetzt werden.
Anfragen
10.03.16
KAPAZITIVER SENSOR
Serie KS
Key-Features:
- extrem hohe Auflösung im Nanometerbereich
- Messbereiche von 50 µm bis 10 mm
- Messgenauigkeit ist temperaturunabhängig
- Temperaturbereich bis +200 °C
- hochwertige Einkanal- und Mehrkanal- Elektroniken
- preiswertes Einkanal-System
- Analogausgang 0...10 V
- Sensoren Schutzklasse bis zu IP68
- Einsatz auch unter extremen Bedingungen, wie im
radioaktiven Bereich, im Hochvakuum,
oder nahe 0°K
- kundenspezifische Bauformen
Inhalt:
Einleitung – Applikationen ....2
Technische Daten Sensoren ....3
Technische Zeichnung ....4
Sensorenkabel ....5
Einkanal Elektroniken ....6
Beschreibung Elektronik ....7
Mehrkanal Elektroniken ....8
Bestellcode ....9
Physikalische Grundlagen
Zwei elektrisch leitende Körper, die voneinander isoliert sind und zwischen denen eine elektrische Spannung herrscht speichern elektrische Ladung. Das Verhältnis zwischen
der Ladungsmenge Q und das Spannung U bezeichnet man als Kapazität C = Q/U.
Ein Kondensator macht sich dieses Prinzip zunutze. Zwischen den beiden elektrisch leitenden Elektroden befindet sich ein isolierendes Material, das Dielektrikum. Die
Kapazität des Kondensators wird durch die Größe A der Elektroden, dem Material des Dielektrikums und dem Kehrwert des Abstandes d der Elektroden zueinander
bestimmt: C=ɛ A/d ɛ = Permittivität des Dielektrikums
Das Messprinzip
Das kapazitive Messprinzip wurde vor über 40 Jahren entwickelt und hat sich seitdem in zahllosen Anwendungen in Forschung und Industrie bewährt. Da sich die Kapazität
eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, kann diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt werden. Ein kapazitiver Sensor ist mit einem
klassischen Plattenkondensator vergleichbar. Dabei bildet der Sensor die eine Platte, das Messobjekt die andere. Die Sensor- und die Messobjektgrösse werden als
konstant angesehen, ebenso wie das dielektrische Material dazwischen. Daher resultiert jede Änderung der gemessenen Kapazität aus einer Veränderung des Abstands
zwischen Sensor und Messobjekt. Wird der Kondensator von einem Wechselstrom mit konstanter Amplitude durchflossen, so herrscht eine Proportionalität zwischen der
Amplitude der Wechselspannung am Sensor und dem Abstand der Kondensatorelektroden. Die nachgeschaltete Elektronik ist so kalibriert, das der ausgegebene
Spannungswert einer bestimmten Veränderung der Kapazität entspricht. Die ausgegebenen Spannungswerte sind so skaliert, das sie bestimmten Veränderungen in der
Entfernung entsprechen.
Die technische Größe Empfindlichkeit beschreibt den Zusammenhang zwischen der Veränderung der Spannung bei einer festgelegten Veränderung des Abstands. Eine
gängige Einstellung der Empfindlichkeit ist 100 µm/1 V (abhängig vom Sensortyp).
Temperatureinfluss
Ist im Wesentlichen gegeben durch die Längendehnung des Sensormaterials, Sonderausführungen aus INVAR sind verfügbar. Die höchste Betriebstemperatur ist begrenzt
durch den Schmelzpunkt des Lötmaterials im Stecker. Messungen bei Tiefsttemperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts wurden erfolgreich mit unseren
Standardsensoren durchgeführt (Fa. Dornier, FZ Karlsruhe, ETH Zürich).
Messungen in Flüssigkeiten
Messungen in Flüssigkeiten sollten nur in Sonderfällen vorgenommen werden. In einem solchen Fall ist zu berücksichtigen, daß nicht nur Verunreinigungen, sondern auch
Gasblasen das Messergebnis verfälschen können. Außerdem entspricht der wirkliche Abstand dem mit der relativen Dielektrizitätskonstanten multiplizierten angezeigten
Abstand. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Dielektrizitätskonstanten von Flüssigkeiten im allgemeinen temperaturabhängig sind. Selbstverständlich müssen die als
Dielektrikum verwendbaren Flüssigkeiten verlustarm, d. h. elektrisch isolierend sein.
Magnetische Felder
Sind nur soweit zu beachten, dass keine Kräfte auf den Messaufbau einwirken. Die Sensoren können auch aus unmagnetischem Material gefertigt werden (z.B. Titan).
Radioaktive Strahlung
Hat keinen Einfluss auf die Messung, geeignete Isolationsmaterialien gewähren auch Langzeitbetrieb ohne Ausfälle.
Spezifischer Widerstand
Die relativ niedrige Trägerfrequenz des Messsystems erlaubt Messungen an Materialien im Mikroohm- bis Kiloohmbereich (μOhm cm bis > 1000 Ohm cm) ohne spezielle
Nacheichung. Damit ist auch der gesamte Bereich des Halbleiter-Siliziums abgedeckt. Große Bedeutung hat diese Tatsache auch bei der Messung gegen einsatzgehärtete
Wellen im Maschinenbau, da die Gefügestrukturschwankungen keine Rolle spielen. Wellenverlagerungsmessungen im Öl eines Gleitlagers sind mit kaum einem anderen
Messverfahren möglich.
Isoliermaterialien
Auch Messungen an nichtleitenden Objekten sind möglich. Besonders einfach sind Dickenmessungen von Kunststoff-Folien, Quarz-, Glas-, oder Keramik-Scheiben.
Oberflächen-Mittelung
Auch die zunächst negativ erscheinende benötigte Mindestmessfläche hat nicht zu unterschätzende Vorteile: bei rauen Oberflächen wird automatisch der Mittelwert erfasst.
Eine polierte Siliziumscheibe der höchsten Qualitätsstufe kann auf der geätzten Rückseite eine Rautiefe von einigen μm aufweisen, so dass optische Sensoren mit
punktförmigem Lichtstrahl nur mit mehreren Messungen und Softwaremittelung einen wiederholbaren Dickenwert ermitteln können.
Sondersensoren (siehe Abbildung Seite 3 unten)
Mit keinem anderen Messverfahren können so einfach und kostengünstig Sonderbauformen sowohl der Gehäuse als auch der aktiven Fläche hergestellt werden. Der Grund
ist der rein mechanische Aufbau aus leitenden Elektroden (alle bearbeitbaren Metalle) und isolierenden Zwischenschichten (Kunststoff, Keramik, Glas).
EINLEITUNG
BEISPIEL ANWENDUNGEN
- 2 -
Dynamische Messung an Turbinen, oder Motoren
Versatz- und Verschleissmessung an Lagern
Konzentritätsmessung an Achsen, Wellen und Bohrungen
Messung des Elastizitätsmoduls und thermischer Ausdehnung
Distanzmessung im Niedrigtemperaturbereich
Referenzsystem für andere Distanzsensoren
Toleranzprüfung in der Massenfertigung
Schwingungsmessungen
Dehnungsmessungen
Dickenmessung und -kontrolle von dünnen Metallfolien
Dickenmessung von Plastikfolien während der Produktion
Messung der Dicke, Abschrägung und Durchbiegung von Wafern in der Halbleiterproduktion
und vieles mehr ....
Der kleinste kapazitive Sensor der Welt
TECHNISCHE DATEN - STANDARD SENSOREN
- 3 -
Sensor K0005 K0020 K0050 K0100 K0200 K0300 K0500 K1000
Messbereich [mm] 0...0,05 0...0,2 0...0,5 0...1 0...2 0...3 0...5 0...10
Linearität * ±0,2%
dynamische Auf lösung * 0,01%
5 ±0,2% 20 ±0,2% 50 ±0,2% 100 ±0,2% 200 ±0,2% 300 ±0,2% 500 ±0,2% 1000 ±0,2%
Temperaturfehler Empf indlichkeit
Streuung Empf indlichkeit [%] ** ±2 ±1 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5
0,03 0,03 0,06 0,06 0,17 0,17 0,17 0,17
Temperaturbereich Betrieb [°C] -50...+200 -50...+200 -50...+200 -50...+200 -50...+200 -50...+200 -50...+200 -50...+200
Durchmesser aktiv e Messf läche [mm]
1,1 2,3 3,8 5,5 7,9 9,8 12,6 17,7
Mindestdurchmesser Messobjekt 3 6 7 9 17 27 37 57
Gewicht [g] 1,7 2,5 5,7 7,1 61 95 120 230
Material Gehäuse (DIN EN 10 027-2)
1.3912 1.3912 1.4104 1.4104 1.4305 1.4305 1.4305 1.4305
Anschlussart Stecker
* abhängig v on der angeschlossenen Elektronik
** bei Sensortausch
Empf indlichkeit [µm/V]
-3,0 x 10-6/K -0,3 x 10-6/K -11 x 10-6/K -1,1 x 10-6/K -3,0 x 10-6/K -3,0 x 10-6/K -3,0 x 10-6/K -3,0 x 10-6/K
Temperaturstabilität [µm/K]
BEISPIELE - SONDER SENSOREN
K0005
TECHNISCHE ZEICHNUNGEN
- 4 -
K0020
K0050 K0100
K0200 K0300
K0500 K1000
KABEL
- 5 -
L13-12 / L33-12
L13-14 / L33-14
Kabel L13-11 L13-12 L13-13 L13-14 L33-11 L33-12 L33-13 L33-14
nge [m] 1 1 1 1 3 3 3 3
Für Sensorköpf e K0100 K0005 K0100 K0005 K0100 K0005 K0100 K0005
K0200 K0020 K0200 K0020 K0200 K0020 K0200 K0020
K0300 K0050 K0300 K0050 K0300 K0050 K0300 K0050
K0500 K0500 K0500 K0500
K1000 K1000 K1000 K1000
Kabeldurchmesser [mm] 3
Betriebstemperatur [°C] -50...+150 °C
Da die Kabel Bestandteil des Sensors und Teil des Schwingkreises sind, dürfen sie auf keinen Fall gekürzt, geknickt oder sonst wie verändert
werden. Es handelt sich um speziell gefertigte Triaxial-Kabel, daher bitte ausschließlich Orginal-Kabel verwenden.
L13-11 / L33-11
L13-13 / L33-13
Einbaumaße mit Sensor K0100
Einbaumaße mit Sensor K0020
Einbaumaße mit Sensor K0020
1 KANAL ELEKTRONIKEN
- 6 -
K1 KS1 KL Komplettsystem
Anzahl Kanäle 1
Anschließbare Sensorköpf e Alle auf Seite 3 auf gef ührten Modelle
Genauigkeit (bei 0..40°C, Dielektrikum: Luf t) ±0,1% v om Messbereich ±0,2% v om Messbereich < ±0,4% v om Messbereich
Wiederholgenauigkeit ±0,05% v om Messbereich ±0,05% v om Messbereich Auf lösung 0,02%
Messrate 4,5 kHz 4,5 kHz 500 Hz
Anzeige 4,5 stellige Digitalanzeige 4,5 stellige Digitalanzeige -
Netzspannung 115 V / 230 V , 50 Hz / 60 Hz 115 V / 230 V , 50 Hz / 60 Hz 100...240 V, 50 Hz / 60 Hz
Leistungsauf nahme 9 VA 18 VA 5 VA
Betriebstemperatur 0...50 °C 0...50 °C 0...70 °C
Lagertemperatur -20...70 °C -20...70 °C -20...80 °C
Auf wärmzeit 30 min 30 min 3 min
Gewicht 3,7 kg 4,0 kg 0,35 kg
Abmessungen H 150 x B 180 x T 265 mm H 150 x B 260 x T 265 mm H 39 x B 64 x T 150 mm
Erweiterbar auf Mehrkanalsy stem Nein Ja Nein
Auf bau 19System, 3 HE 19System, 3 HE Aluminium Guss-Gehäuse
Ja ohne ohne
Spannungsausgang NORM.“ OUT OUT
Empf indlichkeit * 10 V/MB ±0,2% 10 V/MB ±0,2% 10 V/MB ±0,2%
Linearität ±0,2% ±0,2% ±0,4%
Temperaturfehler Empf indlichkeit <0,01% / °C <0,01% / °C <0,02% / °C
-
-
Max. Ausgangsspannung ±10 V ±10 V ±10 V
Max. Ausgangsstrom ±5 mA ±5 mA ±5 mA
Frequenzabhängigkeit 0...4 kHz: ±1%, 0...6 kHz: -3 dB 0...4 kHz: ±1%, 0...6 kHz: -3 dB 0...500 Hz (-3 dB)
Störspannung
Zusatzausgang ** VARI“
Empf indlichkeit Faktor 0...10 - -
* Diese Werte beziehen sich auf den Sensorkopf K0100. Bei Verwendung v on anderen Sensorköpfen muss der abgelesene Wert mit einem entsprechenden
ganzzahligen Faktor umgerechnet werden.
Temperatureinfluss und Störspannungen am geringsten (= Kompensationsmethode) >>> Besonders bei Langzeitmessungen mit kleinen
Messwernderungen zu empfehlen !
Verstärker mit Trimmpotentiometer
Temperaturdrif t Nullpunkt (Ua= 0 V) <±0,3 mV/°C <±0,3 mV/°C
Langzeitdrif t Nullpunkt (Ua= 0 V) <±1 mV/Woche, 10 mV/Jahr <±1 mV/Woche, <±10 mV/Jahr
Ua= 0 V: <5 mVs s , ty p. 2 mVss / Ua= 10 V: <10 mVss <10 mVs s
** Ua = 0V: Die Ausgangsspannung kann mit den Potentiometern „Zeroim gesamten Messbereich auf Null abgeglichen werden. In diesem Zustand sind Driftwerte,
Das KS Messsystem wurde für eine
berührungslose Abstandsmessung zwischen der
Stirnfläche des Sensorkopfes und der leitenden
Oberfläche eines Messobjektes entwickelt. Die
Stirnfläche und das Messobjekt bilden einen
Kondensator. Das Dielektrikum dazwischen muss
einheitlich und stabil sein. Das Messsystem ist auf
Materialien mit einer dielektrischen Konstante ɛr =
1 auf Längeneinheiten kalibriert. Es sind 1 und, auf
Anfrage Mehrkanal-Modelle verfügbar, die mit
Skalierungs- potentiometern ausgestattet sind. Mit
Hilfe des eingebauten Displays lassen sich
statische Messungen durchführen. Für
dynamische Messungen können über das 0 bis
10 V Ausgangsterminal Aufzeichnungsgeräte, wie
z.B. Datenlogger angeschlossen werden. Das
ZERO Potentiometer ermöglicht die exakte
Einstellung des Nullpunkts.
ELEKTRONIK BESCHREIBUNG
- 7 -
Eigenschaften
Das Gerät misst berührungslos den Abstand zwischen der Stirnseite eines Wegaufnehmers und der elektrisch leitenden Oberfläche des Messobjekts. Wegaufnehmer und
Messobjekt bilden zusammen einen elektrischen Kondensator. Das Gerät ist in Längeneinheiten geeicht. Es enthält ein Zeigerinstrument und einen Kompensator mit
Ziffernanzeige. Damit sind statische Messungen im Ausschlag- und Kompensationsverfahren möglich. Ein Ausgang für Anzeige- und Registriergeräte liefert eine dem
Abstand proportionale Spannung für statische und dynamische Messungen. Mit dem Kompensator kann der Nullpunkt der Ausgangsspannung definiert verschoben
werden.
Wirkungsweise und Aufbau
Der Blindwiderstand eines idealen Plattenkondensators ist dem Plattenabstand proportional. Dieser Zusammenhang liegt dem Messverfahren, das in dem elektronischen
Wegmessgerät verwendet wird, zugrunde. Der kapazitive Wegaufnehmer ist als Schutzringkondensator aufgebaut, dessen Schutzring mit dem inneren Schirm des doppelt
abgeschirmten Messkabels verbunden ist. Durch einen gegengekoppelten Verstärker wird der Schutzring sehr genau auf dem Potential der Mittelelektrode des Aufnehmers
gehalten. Dadurch erreicht man im ganzen Messbereich ein nahezu homogenes elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten sowie eine weitgehende Unabhängigkeit
von Änderungen der Kabelkapazität. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Amplitude und Frequenz den Aufnehmerkondensator, so ist die Amplitude der
Wechselspannung zwischen den Kondensatorelektroden ihrem Abstand proportional. Ein 20 kHz-Oszillator hoher Amplituden- und Frequenzkonstanz liefert sowohl den
Strom für den Aufnehmer als auch eine Kompensationsspannung, deren Größe mit einem Präzisionspotentiometer eingestellt werden kann. Die Spannung am Aufnehmer
und die Kompensationsspannung werden von je einem Gleichrichter hoher Linearität und
Nullpunktkonstanz gleichgerichtet. Die Differenz dieser Spannungen liegt einerseits an dem eingebauten Anzeigeinstrument und wird andererseits über einen Tiefpass und
einen Verstärker der Ausgangsbuchse zugeführt. Der elektronische Teil des Wegmessgeräts besteht aus gedruckten Schaltungen in Steckkartenbauweise und ist
ausschließlich mit Bauteilen hoher Zuverlässigkeit bestückt.
Hinweise und Beispiele für die Anwendung
Aus der Wirkungsweise des Messgeräts ist zu ersehen, daß die Eigenschaften des Dielektrikums die Messung beeinflussen. Im allgemeinen wird das Gerät für Messungen
in Luft eingesetzt werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß der Raum zwischen Aufnehmer und Messobjekt frei von Verunreinigungen jeder Art, wie Staub, Öl,
Wasser usw. gehalten wird. Gegebenenfalls kann dies durch einen Luftstrahl, der auf den Spalt zwischen Aufnehmer und Messobjekt gerichtet ist, ermöglicht werden.
Wechsel des Sensorkopfes
Die Empfindlichkeitstoleranzen der Sensorköpfe sind so klein, dass mit beliebigen Exemplaren ohne Neujustierung der Elektronik eine Gesamtgenauigkeit von ±0,5%
erreicht wird.
Zusatzausgang
Für spezielle Anwendungen kann die Empfindlichkeit der
Ausgangsspannung definiert mit dem Faktor 0...10 gewählt
werden (Buchse „VARI.“ + Einstellung „FACTOR“).
Geräterückseite KS1
MEHRKANAL ELEKTRONIKEN
- 8 -
KS2...KS8
Anzahl Kanäle 1...8, umstellbar
Anschließbare Sensorköpf e Alle auf Seite 3 aufgef ührten Modelle
Genauigkeit (bei 0..40°C, Dielektrikum: Luf t) ±0,2% v om Messbereich
Wiederholgenauigkeit ±0,05% v om Messbereich
Messrate 4,5 kHz
Anzeige 4,5 stellige Digitalanzeige
Anzeigelampen, Hy sterese am Umschaltpunkt
Netzspannung 115 V / 230 V , 50 Hz / 60 Hz
Leistungsauf nahme je nach Anzahl Kanäle 18...46 VA
Betriebstemperatur 0...50 °C
Lagertemperatur -20...70 °C
Auf wärmzeit 30 min
Gewicht je nach Anzahl Kanäle 4,0...8,0 kg
Abmessungen H 150 x B je nach Anzahl Kanäle 260...470 x T 265 mm
Auf bau 19System, 3 HE, Teileinschübe 19“/4 in grauem Stahlblechgehäuse
Digital Anzeige 4,5 Stellen
Spannungsausgang „OUT
Empf indlichkeit * 10 V/mm ±0,2%
Linearität ±0,2%
Temperaturfehler Empf indlichkeit <0,01% / °C
Max. Ausgangsspannung ±10 V
Max. Ausgangsstrom ±5 mA
Frequenzabhängigkeit 0...4 kHz: ±1%, 0...6 kHz: -3 dB
Störspannung
* Diese Werte beziehen sich auf den Sensorkopf K0100. Bei Verwendung v on anderen Sensorköpfen muss der abgelesene Wert mit einem entsprechenden
ganzzahligen Faktor umgerechnet werden.
0,5 µm *
Temperaturdrif t Nullpunkt (Ua= 0 V) <±0,3 mV/°C
Langzeitdrif t Nullpunkt (Ua= 0 V) <±1 mV/Woche, <±10 mV/Jahr
Ua= 0 V: <5 mVs s , ty p. 2 mVss / Ua= 10 V: <10 mVs s
Das KS Messsystem wurde für eine
berührungslose Abstandsmessung zwischen der
Stirnfläche des Sensorkopfes und der leitenden
Oberfläche eines Messobjektes entwickelt. Die
Stirnfläche und das Messobjekt bilden einen
Kondensator. Das Dielektrikum dazwischen muss
einheitlich und stabil sein. Das Messsystem ist
auf Materialien mit einer dielektrischen Konstante
ɛr = 1 auf Längeneinheiten kalibriert. Es sind 1
und, auf Anfrage Mehrkanal-Modelle verfügbar,
die mit Skalierungs- potentiometern ausgestattet
sind. Mit Hilfe des eingebauten Displays lassen
sich statische Messungen durchführen. Für
dynamische Messungen können über das 0 bis
10 V Ausgangsterminal Aufzeichnungsgeräte,
wie z.B. Datenlogger angeschlossen werden. Das
ZERO Potentiometer ermöglicht die exakte
Einstellung des Nullpunkts.
Sensorpfe Kabel
K0005 582 € L13-11 224 €
K0020 515 € L13-12 258 €
K0050 493 € L13-13 246 €
K0100 616 € L13-14 280 €
K0200 493 € L33-11 280 €
K0300 504 € L33-12 314 €
K0500 504 € L33-13 303 €
K1000 616 € L33-14 336 €
Elektroniken
K1 5.376 KS4 13.776
KL 840 € KS5 16.184 €
KS1 6.320 KS6 18.590 €
KS2 8.635 KS7 21.000 €
KS3 11.368 € KS8 23.140
- 9 -
Office Köln
Auf der Pehle 1
50321 Brühl
Tel. +49 (0)2232 56 79 44
Fax +49 (0)2232 56 79 45
Head Office
Mehlbeerenstr. 4
82024 Taufkirchen
Tel. +49 (0)89 67 97 13-0
Fax +49 (0)89 67 97 13-250
WayCon Positionsmesstechnik GmbH
email: info@waycon.de
internet: www.waycon.de
Diese Daten können jederzeit ohne Vorankündigung geändert werden.
BESTELLCODE
Sensorkopf Messbereich [mm]
0...0,05
0...0,2
0...0,5
0...1,0
0...2,0
0...3,0
0...5,0
0...10,0
0005
0020
0050
0100
0200
0300
0500
1000
K
L
PREISE
Elektronik
1 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
1 Kanal, 0...10 V Ausgang, ohne Anzeige
1 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige erweiterbar
2 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
3 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
4 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
5 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
6 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
7 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
8 Kanal, 0...10 V Ausgang, mit Anzeige
1
L
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
K
Kabel Ausführung Messbereiche ≤0,5 mm
2 x gerader Stecker, 1 m Kabel
1 x gewinkelter, 1 x gerader Stecker, 1 m Kabel
2 x gerader Stecker, 3 m Kabel
1 x gewinkelter, 1 x gerader Stecker, 3 m Kabel
Kabel Ausführung Messbereiche ≥1,0 mm
2 x gerader Stecker, 1 m Kabel
1 x gewinkelter, 1 x gerader Stecker, 1 m Kabel
2 x gerader Stecker, 3 m Kabel
1 x gewinkelter, 1 x gerader Stecker, 3 m Kabel
13-12
13-14
33-12
33-14
13-11
13-13
33-11
33-13