Induktive Näherungsschalter

Ein induktiver Näherungsschalter ist ein elektronischer Sensor, der das Vorhandensein von Metall berührungslos erkennt. Sobald ein metallisches Objekt in einen definierten Bereich vor der Stirnfläche gelangt, schaltet der Ausgang. Es gibt also nur zwei Zustände – Metall da oder nicht da. Das ist ein binäres Signal.

Der Unterschied zum mechanischen Endschalter liegt auf der Hand: Beim Endschalter drückt das Werkstück gegen einen Hebel oder Stößel, ein Kontakt wird mechanisch betätigt. Das funktioniert, verschleißt aber und prellt. Der induktive Sensor hat keine beweglichen Teile und keinen Kontakt zum Objekt. Er hält dadurch viele Millionen Schaltspiele aus und arbeitet auch bei hoher Schaltfrequenz zuverlässig. (Die mechanischen Schalter werden in einem eigenen Beitrag behandelt – hier reicht die Abgrenzung.)

Wichtig von Anfang an: Ein induktiver Näherungsschalter reagiert ausschließlich auf Metall. Holz, Kunststoff, Glas, Papier oder Flüssigkeiten erkennt er nicht. Für nichtmetallische Objekte braucht man andere Sensorprinzipien.

Die gängigen Bauformen sind zylindrisch mit Gewinde – typisch M8, M12, M18 und M30 – sowie quaderförmige Bauformen für flache Einbausituationen. Die Größe bestimmt mit, wie weit der Sensor „sehen“ kann: Ein M30-Sensor hat einen deutlich größeren Schaltabstand als ein M8.

Im Inneren des Sensors steckt ein Oszillator – eine Schaltung, die eine elektrische Schwingung erzeugt und aufrechterhält. Zu diesem Oszillator gehört eine Spule, die in einem Ferrit-Schalenkern sitzt. Dieser Kern ist an der Stirnseite offen und bündelt das Magnetfeld nach vorne. So entsteht an der aktiven Fläche ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das ein Stück weit aus dem Sensor herausreicht.

Solange kein Metall in der Nähe ist, schwingt der Oszillator ungestört mit voller Amplitude.

Nähert sich nun ein Metallteil, geschieht Folgendes: Das Wechselfeld durchdringt die Metalloberfläche und erzeugt darin Wirbelströme – im Metall kreisende Ströme, die das wechselnde Magnetfeld induziert. Diese Wirbelströme entziehen dem Schwingkreis Energie. Die Schwingung wird bedämpft, ihre Amplitude sinkt.

Eine nachgeschaltete Auswertestufe überwacht ständig die Amplitude. Fällt sie unter eine festgelegte Schwelle – typisch in der Größenordnung von rund 70 % der ungedämpften Amplitude –, wertet die Elektronik das als „Metall erkannt“ und kippt das Ausgangssignal. Entfernt sich das Metall wieder, steigt die Amplitude über die Schwelle, und der Ausgang schaltet zurück. Der genaue Schwellenwert ist herstellerabhängig und im Gerät fest eingestellt.

Der gesamte Signalfluss in einem Satz: Oszillator erzeugt Feld → Metall bedämpft die Schwingung → Auswertestufe erkennt den Amplitudeneinbruch unter die Schaltschwelle → Endstufe schaltet den Ausgang.

Den prinzipiellen Aufbau und die Bedämpfung mit eingezeichneter Schaltschwelle zeigt die folgende Darstellung:

Der wichtigsten Auswahlwert ist der Schaltabstand – die Entfernung, ab der der Sensor ein annäherndes Metallobjekt erkennt. Bei diesem Wert lohnt es sich, genau hinzuschauen, denn es gibt mehrere davon.

Der Nennschaltabstand sₙ ist ein genormter Bezugswert unter festgelegten Bedingungen: Bezugsobjekt aus Baustahl (eine quadratische Platte aus weichem Stahl, z. B. Fe 360 / S235), Raumtemperatur, Nennspannung. Dieser Wert steht im Datenblatt und auf dem Sensor. Er ist ideal – im realen Betrieb erreicht man ihn fast nie exakt.

Daraus leiten sich die praxisrelevanten Werte ab:

• Realschaltabstand sᵣ: der tatsächliche Schaltabstand eines konkreten Sensors bei Nennspannung und Raumtemperatur. Er darf um ±10 % vom Nennschaltabstand abweichen.
• Nutzschaltabstand sᵤ: der Schaltabstand über den gesamten zulässigen Temperatur- und Spannungsbereich. Er liegt nochmals niedriger und beträgt im ungünstigsten Fall nur etwa 81 % von sₙ.
• Gesicherter Schaltabstand: der Bereich, in dem das Schalten unter allen zulässigen Bedingungen garantiert ist – üblicherweise bis 0 … 0,81 · sₙ.

Als grobe Faustregel für die Projektierung gilt: das Bezugsobjekt nicht weiter als auf etwa die Hälfte des Nennschaltabstands annähern. Dann hat man Reserve für Temperatur, Streuung und kleinere Objekte.

Korrekturfaktor für das Material

Der Nennschaltabstand gilt für Baustahl. Andere Metalle bedämpfen das Feld schwächer und werden erst auf kürzere Distanz erkannt. Diesen Zusammenhang beschreibt der Korrekturfaktor:

Typische Anhaltswerte für den Korrekturfaktor:

Die Werte sind herstellerabhängig und gelten als Anhaltspunkt – im Zweifel ins Datenblatt schauen. Die Reihenfolge bleibt aber immer gleich: Stahl ergibt den größten Schaltabstand, Kupfer den kleinsten.

Zusätzlich spielt die Objektgröße eine Rolle. Ist das Metallteil kleiner als das genormte Bezugsobjekt, sinkt der Schaltabstand weiter. Hierfür gibt es einen Reduzierfaktor, der bei kleinen Objekten wie der Korrekturfaktor wirkt.

Schalthysterese

Ein Sensor, der beim selben Abstand ein- und ausschaltet, würde bei der kleinsten Erschütterung am Schaltpunkt flattern – ständiges Ein-Aus-Ein. Um das zu verhindern, haben alle Näherungsschalter eine Schalthysterese: Der Einschaltpunkt liegt etwas näher am Sensor als der Ausschaltpunkt. Das Objekt muss sich also erst ein Stück wieder entfernen, bevor der Ausgang zurückschaltet.

Die Hysterese wird meist als Prozentsatz des Realschaltabstands angegeben, typisch 1 bis 15 %, oft um 10 %. Der Rücklaufpunkt (Ausschaltpunkt) ergibt sich aus dem Einschaltabstand zuzüglich der Hysterese.

Beim Anschließen gibt es ein paar sensorspezifische Werte, die man kennen sollte. Die allgemeine Leitungsart-Systematik – 2-, 3- und 4-Leiter sowie PNP/NPN – ist Thema eines eigenen Beitrags und wird hier nur kurz eingeordnet.

Kurz zur Einordnung: 3-Leiter-Sensoren haben getrennte Leitungen für Versorgung (+), Masse (−) und Schaltausgang; sie sind in der Industrie der Standard. PNP schaltet das Plus-Potenzial auf den Ausgang (Last gegen Masse), NPN schaltet gegen Masse (Last gegen Plus). In Europa und damit in Österreich überwiegt PNP deutlich. Die übliche Betriebsspannung ist 24 V Gleichspannung. Die Aderfarben und Pin-Belegung folgen der europäischen Norm EN 60947-5-2: braun = +, blau = −, schwarz = Ausgang, bei 4-Leiter zusätzlich weiß = zweiter Ausgang.

Interessanter sind hier die sensorspezifischen elektrischen Kenngrößen:

Leerlaufstrom (Eigenstromaufnahme): Der Strom, den die Sensorelektronik selbst zum Arbeiten braucht, auch wenn der Ausgang nicht schaltet. Bei 3-Leiter-Sensoren fließt dieser über die getrennte Versorgungsleitung und stört nicht.

2-Leiter-Sensoren und der Reststrom: Ein 2-Leiter-Sensor wird wie ein mechanischer Schalter in Reihe zur Last geschaltet. Versorgung und Schaltsignal teilen sich dieselben zwei Leitungen. Das hat eine wichtige Konsequenz: Auch im gesperrten Zustand muss ein kleiner Reststrom durch die Last fließen, damit die Elektronik versorgt bleibt. Dieser Reststrom liegt typisch bei wenigen Milliampere. Bei hochohmigen Lasten – etwa einem SPS-Eingang – kann dieser Reststrom ausreichen, um fälschlich ein „Ein“-Signal vorzutäuschen. Deshalb muss man prüfen, ob der Reststrom unter der Abschaltschwelle des Eingangs bleibt.

Spannungsfall: Im durchgeschalteten Zustand fällt am elektronischen Ausgang eine kleine Spannung ab (anders als beim idealen mechanischen Kontakt). Dieser Spannungsfall – typisch unter 2 bis 3 V – verringert die an der Last anliegende Spannung. Bei 2-Leiter-Sensoren ist das relevanter als bei 3-Leiter-Typen.

Schaltstrom und Schutz: Jeder Sensorausgang hat einen maximal zulässigen Dauer-Schaltstrom (oft 100 bis 200 mA). Hochwertige Sensoren sind kurzschlussfest und verpolungssicher ausgeführt, sodass ein Verdrahtungsfehler die Elektronik nicht sofort zerstört.

Die Sensorauswahl folgt einer überschaubaren Logik: erst das Material des zu erkennenden Objekts (bestimmt über den Korrekturfaktor den nötigen Schaltabstand), dann die Bauform und der verfügbare Bauraum, dann die Einbausituation und schließlich die Umgebungsbedingungen.

Bündig oder nicht bündig einbauen

Ein zentrales Auswahlkriterium ist, ob der Sensor bündig (flächenbündig in Metall einbaubar) oder nicht bündig ausgeführt ist.

• Bündige Sensoren dürfen vollständig in Metall eingelassen werden – die Stirnfläche schließt mit dem umgebenden Metall ab. Das umgebende Metall beeinflusst das Feld nicht, weil es seitlich abgeschirmt ist. Der Preis dafür ist ein kleinerer Schaltabstand.
• Nicht bündige Sensoren müssen frei stehen; um die aktive Fläche herum muss ein metallfreier Bereich bleiben. Sie bieten dafür einen größeren Schaltabstand.

Wer einen nicht bündigen Sensor versehentlich bündig in Metall einbaut, bekommt eine Dauerbedämpfung: Das umgebende Metall wird ständig „erkannt“, der Sensor schaltet nicht mehr sauber.

Gegenseitige Beeinflussung

Sitzen mehrere Sensoren zu nah beieinander, können sich ihre Felder stören. Dafür gibt es Mindestabstände – seitlich und gegenüberliegend –, die der Hersteller angibt. Faustregel: nebeneinander mindestens den Sensordurchmesser, gegenüberliegend mehr. Bei Sensoren, die auf dieselbe Position gerichtet sind, kann es sonst zu Fehlschaltungen kommen.

Schaltfrequenz

Bei schnellen Bewegungen zählt die Schaltfrequenz – wie oft der Sensor pro Sekunde sauber ein- und ausschalten kann. Größere Sensoren (M30) sind dabei meist langsamer als kleine (M8). Wenn an einem schnell drehenden Zahnrad jede Zahnflanke erfasst werden soll, muss die Schaltfrequenz des Sensors zur Zahnfrequenz passen.

Umgebung

Späne, Kühlmittel, Temperatur und elektromagnetische Störungen wirken auf den Einsatz ein. Metallspäne, die sich an der Stirnfläche sammeln, werden als Dauerobjekt erkannt – hier hilft eine geschützte Einbaulage. Hohe Temperaturen verringern den Schaltabstand (siehe Nutzschaltabstand). In Umgebungen mit starken elektromagnetischen Feldern – etwa nahe Schweißanlagen oder Frequenzumrichtern – sollte man auf geschirmte Leitungen und EMV-feste Sensoren achten.