06.03.2019

Kapazitive Füllstandskontrolle von Schmiermedien

Angeschmiert

Mittels kapazitiver Füllstandssensoren werden bei einem metallverarbeitenden Betrieb Kühl- oder Schmiermittel kontrolliert, die sich zur kontinuierlichen Versorgung der Anlage in separaten Behältern in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Produktionsprozesses befinden.


Zur Kontrolle des Füllstandes von Graphitpaste, die sich zur Permanentschmierung eines Werkzeuges in einem Behälter neben einem Stanzautomaten befindet, entschied sich ein metallverarbeitender Betrieb für den kapazitiven Sensor FK920420.
Bild: IPF Electronic GmbH

Zur Abfrage von Füllständen oder Medienniveaus existieren eine Vielzahl an Sensorlösungen, wobei deren Auswahl von dem zu erfassenden Material bzw. Medium und den Umgebungsbedingungen abhängt. So lässt sich z.B. bei der automatischen Materialzuführung über Rütteltöpfe das Materialniveau mit Füllstandssensoren abfragen, bei denen ein induktiver Näherungsschalter über ein Pendel betätigt wird. Konduktive Füllstandsrelais wiederum eignen sich zur Erfassung leitfähiger Medien vorwiegend auf Wasserbasis. Solche Lösungen bestehen aus einer Bezugs- und einer oder mehreren Messelektroden, zwischen denen der Widerstand des zu kontrollierenden Mediums gemessen wird. Eine weniger bekannte Technologie zur Füllstandskontrolle bieten sogenannte Strömungssensoren, bei denen das Sensorelement von innen heraus um einige Grad Celsius aufgeheizt wird. Die erzeugte Wärme führt dieses Element in die Luft oder das Medium, in das es hineinragt, ab. Dabei ist der 'Kühleffekt' im Medium größer als in der Luft. Dies wird von der Sensorelektronik erfasst und in ein Schaltsignal umgesetzt. Last, but not least, bieten sich kapazitive Füllstandssensoren zur Kontrolle verschiedenster Medien an.

Permanentschmierung in der Automation

In einem metallverarbeitenden Betrieb werden Fahrzeugteile an einer automatisierten Stanze gefertigt. Ein Bestandteil des Stanzwerkzeuges muss permanent mit einer Graphitpaste geschmiert werden. Daher wird das Schmiermedium über eine Pumpe aus einem Behälter neben dem Stanzautomaten an die betreffenden Stellen des Werkzeuges geleitet. Ein ausreichender Füllstand im Behälter soll kontinuierlich geprüft werden, um eine prozesssichere automatisierte Schmierung zu gewährleisten. Da Graphit über eine Dielektrizitätskonstante von 10 bis 15 verfügt, bieten sich für diese Aufgabe auch kapazitive Sensoren an. Alle getesteten Geräte waren aber aufgrund von Anhaftungen nicht in der Lage, den Füllstand zuverlässig zu kontrollieren. Daher entschied sich das Unternehmen für den kapazitiven Füllstandssensor FK920420 von IPF Electronic. Auffällig ist die Bauart des Sensors in Kolbenform mit einem Gehäuse aus Teflon, das dazu konzipiert ist, den Sensor senkrecht von oben in einen Behälter und somit in das zu kontrollierende Medium hineinragen zu lassen. Im Zusammenhang mit dem genannten Anwendungsbeispiel ist die Bauform grundlegend, nicht nur hinsichtlich des Abtropfverhaltens, sondern vor allem auch mit Blick auf die Größe der aktiven Sensorfläche und damit der Kapazität des Sensors im Vergleich zu herkömmlichen Geräten. Die Größe bzw. Fläche der Feldplatten (aktive Fläche) von kapazitiven Standardsensoren lässt sich wie folgt berechnen:

A = r2 x 3,14, wobei r dem Radius der aktiven Fläche entspricht. Für einen kapazitiven Standardsensor in Baugröße M30 ergibt sich somit bei nicht-bündig einbaubaren Geräten eine aktive Fläche von 490,6mm² (bündig: 254,3mm²). Aufgrund seiner Bauform lässt sich die aktive Fläche des FK920420, die sich im Schafft des Sensors befindet, anders gestalten, sodass für deren Größenberechnung die Formel für Halbkugelflächen gilt: A = 2 r2 x 3,14

Bei einem Durchmesser von 12mm der integrierten Halbkugel verfügt der Füllstandssensor somit über eine aktive Fläche von 904mm², was nahezu dem doppelten Wert im Vergleich zu einem Sensor in Baugröße M30 (nicht-bündig) entspricht. Im Vergleich zu bündigen Geräten sogar mehr als das Dreifache. Die Kapazität von kapazitiven Sensoren ist unter anderem abhängig von deren Fläche, das heißt je größer die Fläche, desto größer die Kapazität und damit auch die Ansprechempfindlichkeit sowie der mögliche Einstellbereich der Geräte.

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Mediumreste gezielt ausblenden

Für die Anwendung bietet das Design des Sensors hinsichtlich einer zuverlässigen Füllstandskontrolle verschiedenste Vorteile. Sinkt der Pegel der Graphitpaste z.B. im Behälter unterhalb der Messsonde, so läuft das Medium bedingt durch die Kolbenform sehr gut vom Sensor ab, wobei mögliche Tropfenreste des Graphitfilms an der Sensorkappe nicht zu einem fehlerhaften Schaltverhalten führen. Reste der zähflüssigen Graphitpaste, die sich auch am Sensorschafft und daher im Bereich des elektrischen Feldes bilden, lassen sich aufgrund der hohen Kapazität des Gerätes durch eine exakte Justierung der erforderlichen Ansprechempfindlichkeit gezielt ausblenden. Bei kapazitiven Standardsensoren mit geringerer Empfindlichkeit, wäre eine Ausblendung der anhaftenden Graphitpastenreste im Bereich der aktiven Fläche nur schwer möglich und würde eine zuverlässige Füllstandskontrolle verhindern.

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