Hochleistungssensoren für Industrie und Batterie

Autor: Andreas Artmann, Micro-Epsilon

Kapazitiven Wegsensoren hängt noch immer der Ruf an, nur für saubere und trockene Umgebung geeignet zu sein. Doch mit den industrieoptimierten Ausführungen, die Micro-Epsilon mit der Capa-NCDT-Serie anbietet, überzeugen die kapazitiven Sensoren auch in industriellen Anwendungen. Sie sind temperaturstabil, robust und flexibel einsetzbar, auch in Umgebungen mit wechselnden Temperaturen oder mit Magnetfeldern.

Kapazitive Sensoren messen zuverlässig und mit Submikrometergenauigkeit Wege, Abstände und Positionen. Eingesetzt werden sie unter anderem für Inline-Anwendungen zur Foliendicken- oder Klebeauftragsmessung. Innerhalb von Maschinen überwachen sie Verfahrwege und Werkzeugpositionen. Die kapazitiven Sensoren Capa-NCDT von Micro-Epsilon basieren auf dem Prinzip des idealen Plattenkondensators. Das elektrische Feld befindet sich hier ausschließlich zwischen den beiden leitenden Objekten im aktiven Messbereich, also zwischen dem Sensor und dem leitfähigen Messobjekt. Diese Sensoren sind in unterschiedlichen Ausführungen verfügbar. Die zylindrische Bauform ist die geläufigste Bauform. Neben der zylindrischen Bauform werden auch Flachsensoren angeboten, die einen wesentlich geringeren Bauraum erfordern. In der Platinenausführung sind kapazitive Sensoren zur Integration in schmale Einbauumgebungen geeignet.

Für diese beengten Einbausituationen bietet Micro-Epsilon äußerst dünne Sensoren auf PCB-Basis an. Die Sensoren sind mit einer Höhe von 14 mm bzw. 25 mm erhältlich und verfügen über einen Miniatur-Triaxial-Stecker. Kabel, Sensor und Stecker sind hier nahezu gleich groß. Der Stecker ist mit nur 3,6 mm etwa um den Faktor drei kleiner als herkömmliche Stecker. Eine Integration des Sensors in Maschinen und Anlagen mit besonders engen Bauräumen wird dadurch vereinfacht. Die Spiralummantelung für die eingesetzten Kabel bietet zusätzlichen Schutz vor Beschädigungen.

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Micro-Epsilon bietet spezielle Sensorsysteme für industrielle Anforderungen. Das Capa-NCDT 61x0/IP ist ein kapazitives Wegmesssystem, das zur Qualitätssicherung in Produktionsprozessen sowie zur Maschinen- und Anlagenregelung entwickelt wurde. Das nach Schutzart IP68 klassifizierte Messsystem wird für zahlreiche industrielle Messaufgaben eingesetzt. Es ist unempfindlich bei Temperaturschwankungen und Magnetfeldern. Es wurde speziell für industrielle Messaufgaben konzipiert, in denen hohe Präzision vorausgesetzt wird. Eingesetzt wird es zur berührungslosen Messung von Größen wie Weg, Abstand, Auslenkung, Ausdehnung und Durchbiegung auf leitfähigen Messobjekten. Das Capa-NCDT 61x0/IP besteht aus einem Sensor, einem Sensorkabel und einem Controller. Das System ist durch die werksseitige Kalibrierung einsatzbereit und muss vor Ort nicht kalibriert werden. Auch bei einem nachträglichen Sensortausch ist eine Neukalibrierung nicht erforderlich. Die Datenausgabe erfolgt über Strom oder Spannung bzw. die digitale RS485-Schnittstelle. Das Alu-Druckgussgehäuse schützt den Controller zudem vor Staub und Feuchtigkeit. Auch das Sensorkabel ist robust aufgebaut. Es gewährt Trittsicherheit und Temperaturbeständigkeit. Die Kabellänge ist auf große Abstände bis zu 8 m ausgelegt. Mehr als 15 verschiedene Sensormodelle erlauben den Einsatz in verschiedenen Messaufgaben. Mit Platinen-, Zylinder- und Gewindesensoren stehen drei verschiedene Sensortypen zur Verfügung, aus denen je nach Einbausituation ausgewählt werden kann. Der Sensortausch ist einfach möglich. Alle kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon lassen sich mit allen Controllern betreiben. Ein aufwendiges Kalibrieren der Sensoren ist nicht notwendig.

Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind außerdem langzeitstabil aufgebaut, weil keine Komponenten genutzt werden, die die Lebensdauer einschränken. Eine weitere Stärke ist die Kombinationsvielfalt. Jeder kapazitive Sensor kann ohne aufwändige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwendet werden. Über die verschiedenen Schnittstellen wie Analog, Ethernet und Ethercat wird eine Anbindung an moderne Maschinen und Anlagen ermöglicht. Einstellungen lassen sich über das benutzerfreundliche Webinterface vornehmen. Werden Sensoren in Bereichen eingesetzt, wo sie in hohem Maße Erschütterungen ausgesetzt sind, so bieten Gewindesensoren eine optimale Einbaumöglichkeit. Diese sind fest mit der jeweiligen Maschine verschraubt und verhindern ein verrutschen des Sensors bei starker Vibration.

Im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Sensoren, sind Micro-Epsilon Sensoren nicht koaxial, sondern triaxial aufgebaut. Dies bedeutet, dass der Kondensator neben dem Gehäuse noch zusätzlich von einem gesondert gespeisten Schutzring zwischen Kondensator und Gehäuse umgeben ist, welcher ein elektrisches Feld erzeugt. Zwischen der Messelektrode und der Objektoberfläche entsteht dadurch ein homogenes Feld. Eine Ausbreitung auf andere leitfähige Objekte in der Nähe oder auf andere Bereiche des Targets wird durch das Schutzfeld um die Messelektrode unterbunden. Somit wird verhindert, dass andere Objekte die Messung beeinflussen. Dieser triaxiale Aufbau macht die Sensoren robuster und deutlich genauer. Die Linearität ist wesentlich höher und Störungen des Messfeldes werden zuverlässig verhindert. Zudem können diese Sensoren bündig in leitende Materialien eingebaut werden, ohne Messfehler zu erzeugen.

Die Vorteile der industrieoptimierten Sensoren zeigen sich unter anderem bei großen Elektromotoren. Der Rundlauf muss hier ständig überprüft werden. Die Motoren mit Durchmessern von über 10 m nehmen großen Schaden, wenn der Rotor den Stator berührt. Daher wird der sogenannte Läuferspalt, der Abstand zwischen Rotor und Stator, durch kapazitive Wegsensoren ständig überwacht. Die wechselnden magnetischen Felder haben durch den triaxialen Aufbau und der Verwendung von nicht-magnetischen Materialien wie Titan oder Edelstahl keinen Einfluss auf das Messergebnis. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips besteht auch keinerlei physische Einwirkung auf Sensor oder Messobjekt, wodurch sich Langzeitstabilität ergibt.

Die Erfassung des Folienprofils bereits an der Folienblase liefert entscheidende Daten für die Extrusionsregelung. Um den Prozess möglichst effizient zu gestalten, wurde von Micro-Epsilon ein modulares Blasfolien-Messsystem konzipiert, das unmittelbar nach dem Kalibrierkorb eingesetzt wird. Die zur Profilerfassung verwendete Sensorik basiert auf dem kapazitiven Messprinzip und ermittelt das Folienprofil hochgenau und zuverlässig. Die eingesetzten Sensoren zeichnen sich durch enorme Genauigkeit und Signalqualität aus.

Kapazitive Sensoren sind wichtiger Bestandteil in der Batterieproduktion und der Halbleiterindustrie. In der Batterieproduktion ist die Dickenmessung der Batteriefolie von hoher Bedeutung. Zwei gegenüberliegend angebrachte kapazitive Sensoren ermöglichen eine zweiseitige Dickenmessung. Mit dieser Methode lassen sich z.B. Banddicken bis in den μm-Bereich messen. Jeder der beiden kapazitiven Wegsensoren liefert ein lineares Abstandssignal, das der Controller als Dickenmesswert verrechnet. Der Messfleck der Sensoren ist größer als bei optischen Messverfahren, wodurch Strukturen und Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche gemittelt werden. Durch den Capa-NCDT Mehrkanal-Controller können auch mehrere Sensorpaare mit nur einem Controller verarbeitet werden.

Speziell für Dickenmessungen mit kapazitiven Sensoren ist ein Montagebügel erhältlich. Der Bügel ermöglicht noch präzisere Messergebnisse und findet in der Halbleiterindustrie zur hochauflösenden Dickenmessung von Wafern und in der Batterie-Industrie zur zweiseitigen Dickenmessung von Batterie- sowie Separatorfolien Verwendung. Die Sensoren liegen hier genau auf einer Achse und sind somit deckungsgleich angeordnet. Bis zu sechs Sensoren lassen sich an einem Montagebügel anbringen. Da je zwei Sensoren eine Messstelle abbilden, können bis zu drei gleichzeitige Messungen an unterschiedlichen Stellen erfolgen. Der Montagebügel ist sowohl vakuumtauglich als auch sehr temperaturstabil bei Temperaturen bis 100 °C.

Das kapazitive Messprinzip eignet sich auch zur Kombination mit weiteren Messverfahren. Auf dieser Basis hat Micro-Epsilon den Combi-Sesnsor entwickelt, der einen kapazitiven mit einem induktiven Sensor auf Wirbelstrombasis vereint. In der Batterieproduktion misst er auf nicht leitenden Bandmaterialien wie Beschichtungen. Die im Sensorgehäuse integrierten Sensoren messen jeweils von der gleichen Seite den Abstand zur Aluminiumwalze. Der kapazitive Sensor ermittelt anhand der Dielektrizitätskonstante des nicht leitenden Materials den Abstand zur Bandoberseite. Der Wirbelstromsensor ermittelt den Referenzabstand zur Führungswalze. Neben der hohen Genauigkeit ist die hohe Temperaturstabilität ein entscheidender Vorteil. Dadurch kann die Dickenmessung beispielsweise auch in Trockenbeschichtungsprozessen durchgeführt werden.