Induktiver Ringsensor – Funktion, Aufbau und Anwendung
Ein induktiver Ringsensor ist ein berührungslos arbeitender Sensor zur Erkennung metallischer Gegenstände. Seine Besonderheit gegenüber einem gewöhnlichen Initiator ist die ringförmige Erfassungszone.
Das zu erkennende Metallteil wird durch die Öffnung des Sensors geführt. Dadurch eignet sich der Ringsensor besonders zur Erkennung und Zählung kleiner Metallteile, die beispielsweise durch einen Schlauch, eine Rutsche oder eine Zuführeinrichtung transportiert werden.
Typische Objekte sind Schrauben, Muttern, Stifte, Kugeln, Nieten, Hülsen, Federn oder andere metallische Kleinteile.
Wie funktioniert ein induktiver Ringsensor?
Das Funktionsprinzip entspricht grundsätzlich dem eines induktiven Näherungssensors.
Im Sensor befindet sich eine Spule beziehungsweise ein entsprechendes Spulensystem. Die Elektronik erzeugt damit ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld.
Bei einem Ringsensor befindet sich die aktive Erfassungszone jedoch innerhalb der Durchgangsöffnung.
Bewegt sich ein metallisches Objekt durch diese Öffnung, beeinflusst es das elektromagnetische Feld. Im elektrisch leitfähigen Werkstück entstehen Wirbelströme, die dem erzeugenden Feld entgegenwirken.
Die Sensorelektronik erkennt diese Veränderung und erzeugt daraus ein Schaltsignal.
Das grundlegende Funktionsprinzip lautet:
Spule → elektromagnetisches Wechselfeld → Metallteil durchquert Ring → Feld wird beeinflusst → Auswertung → Schaltsignal
Die Erkennung erfolgt vollständig berührungslos.
Aufbau eines induktiven Ringsensors
Ein typischer Ringsensor besteht aus:
- Sensorgehäuse
- ringförmiger Durchgangsöffnung
- Spulensystem
- Oszillator
- elektronischer Signalauswertung
- Schaltausgang
- Statusanzeige
- elektrischem Anschluss
Die Größe der Ringöffnung hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Ein kleiner Ring eignet sich beispielsweise zur Erkennung kleiner Schrauben oder Stifte. Größere Durchgangsöffnungen können für größere Werkstücke, Rohre oder Zuführsysteme verwendet werden.
Warum besitzt der Sensor eine Ringform?
Die Ringform bietet gegenüber einem seitlich angeordneten induktiven Sensor einen entscheidenden Vorteil.
Bei einem normalen Initiator muss das Metallteil innerhalb des begrenzten Erfassungsbereichs vor der aktiven Sensorfläche vorbeigeführt werden.
Bei kleinen oder frei fallenden Teilen kann dies problematisch sein. Das Bauteil könnte seitlich am eigentlichen Erfassungsbereich vorbeifallen.
Beim Ringsensor wird dagegen die gesamte vorgesehene Durchgangsöffnung zur Erfassungszone.
Das Metallteil wird gezielt durch diese Zone geführt.
Dadurch eignet sich dieses Sensorprinzip besonders für Anwendungen, bei denen kleine Metallteile zuverlässig erkannt werden müssen.
Erkennung kleiner Metallteile
Eine typische Anwendung ist die Überwachung kleiner Bauteile.
Beispielsweise können:
- Schrauben
- Muttern
- Stifte
- Nieten
- Kugeln
- Hülsen
- Federn
- Unterlegscheiben
- Stanzteile
- metallische Späne oder Abschnitte
durch den Ringsensor geführt und erkannt werden.
Dabei muss berücksichtigt werden, dass die minimale sicher erkennbare Objektgröße von der Konstruktion und Empfindlichkeit des Sensors sowie von Größe und Material des Objektes abhängt.
Je kleiner das Metallteil im Verhältnis zur Ringöffnung ist, desto anspruchsvoller wird seine zuverlässige Erkennung.
Ringsensor zur Teilezählung
Eine besonders interessante Anwendung ist die Teilezählung.
Wird beispielsweise jede produzierte Schraube nach einem Bearbeitungsvorgang durch den Ringsensor geführt, erzeugt jedes erkannte Bauteil einen Schaltimpuls.
Eine SPS oder Maschinensteuerung kann diese Impulse zählen.
Der Ablauf kann beispielsweise folgendermaßen aussehen:
Werkstück wird produziert → Werkstück verlässt Maschine → Werkstück fällt durch Ringsensor → Sensor erzeugt Impuls → Steuerung erhöht Stückzähler
Damit lässt sich die tatsächliche Anzahl ausgegebener Werkstücke überwachen.
Verwendung mit einem Kunststoffschlauch
Kleine Bauteile werden in automatisierten Anlagen häufig durch Schläuche transportiert.
Hier besitzt der induktive Ringsensor einen weiteren Vorteil.
Ein geeigneter nichtmetallischer Schlauch kann durch die Ringöffnung geführt werden. Metallische Teile bewegen sich innerhalb des Schlauchs durch die Erfassungszone.
Der Sensor erkennt das Metallteil durch die nichtmetallische Schlauchwand hindurch.
Dadurch muss das Werkstück den Sensor selbst nicht berühren.
Das kann insbesondere bei pneumatischen Zuführsystemen oder beim Abtransport kleiner Werkstücke interessant sein.
Statische und dynamische Erkennung
Je nach Ausführung können Ringsensoren für unterschiedliche Erkennungsaufgaben ausgelegt sein.
Statische Erkennung
Bei einer statischen Erkennung bleibt der Schaltausgang aktiv, solange sich ein ausreichend großes Metallobjekt innerhalb der Erfassungszone befindet.
Das eignet sich beispielsweise für:
- Anwesenheitskontrolle
- Stauüberwachung
- Positionsüberwachung
Dynamische Erkennung
Bei der dynamischen Erkennung steht die Bewegung beziehungsweise das Durchlaufen eines Metallteils im Vordergrund.
Der Sensor erzeugt ein Signal, wenn ein Objekt die Erfassungszone passiert.
Diese Betriebsart eignet sich besonders zur:
- Teilezählung
- Durchlaufkontrolle
- Produktionsüberwachung
- Überwachung schnell bewegter Kleinteile
Welche Betriebsart verfügbar ist, hängt vom jeweiligen Ringsensor ab.
PNP- und NPN-Ausgänge
Induktive Ringsensoren können – wie viele andere Industriesensoren – mit unterschiedlichen Schaltausgängen angeboten werden.
Häufig kommen PNP- oder NPN-Ausgänge zum Einsatz.
Welche Variante benötigt wird, hängt von der Eingangsschaltung der verwendeten SPS oder Maschinensteuerung ab.
Die Unterschiede zwischen diesen Ausgangsschaltungen werden ausführlich im EMPA-Wiki-Artikel PNP- und NPN-Sensoren erklärt.
Vor dem Anschluss eines Ringsensors sollten deshalb Betriebsspannung, Ausgangstyp, Schaltfunktion und Anschlussbelegung geprüft werden.
Unterschied zwischen Ringsensor und normalem Initiator
Sowohl Ringsensor als auch Initiator arbeiten induktiv und erkennen metallische Objekte berührungslos.
Der wesentliche Unterschied liegt in der Anordnung der Erfassungszone.
| Merkmal | Induktiver Ringsensor | Normaler Initiator |
|---|---|---|
| Erfassungszone | innerhalb einer Ringöffnung | vor der aktiven Sensorfläche |
| Objektführung | durch den Sensor | am Sensor vorbei |
| Metallische Objekte | ja | ja |
| Berührungslose Erkennung | ja | ja |
| Teilezählung | besonders geeignet | möglich |
| Kleine frei bewegte Teile | sehr gut geeignet | abhängig von der Führung |
Der Ringsensor ist deshalb keine grundsätzlich andere Sensortechnologie, sondern eine besondere Bauform des induktiven Sensors.
Vorteile eines induktiven Ringsensors
Der Ringsensor besitzt für geeignete Anwendungen mehrere Vorteile.
Dazu gehören:
- berührungslose Erkennung
- verschleißfreier Schaltvorgang
- zuverlässige Erkennung metallischer Gegenstände
- sehr gut für kleine Metallteile geeignet
- definierte Erfassungszone
- hohe Wiederholgenauigkeit
- schnelle Erkennung
- einfache Teilezählung
- Integration in Zuführsysteme
- Einsatz mit nichtmetallischen Führungsschläuchen möglich
Besonders interessant ist die Kombination aus mechanischer Führung und umlaufender Erfassungszone.
Grenzen eines induktiven Ringsensors
Ein induktiver Ringsensor kann nicht für jedes Material verwendet werden.
Da das Funktionsprinzip induktiv arbeitet, werden elektrisch leitfähige beziehungsweise metallische Gegenstände erkannt.
Nichtmetallische Werkstücke aus beispielsweise Kunststoff, Holz oder Glas können mit diesem Sensorprinzip nicht unmittelbar erkannt werden.
Für solche Aufgaben können andere Sensorprinzipien geeigneter sein.
Ein kapazitiver Sensor kann beispielsweise auch verschiedene nichtmetallische Materialien erfassen.
Auch die Größe des Metallteils spielt eine wichtige Rolle. Sehr kleine Metallobjekte erzeugen eine geringere Veränderung des elektromagnetischen Feldes als große Werkstücke.
Ringdurchmesser und Sensor müssen deshalb zur jeweiligen Anwendung passen.
Einfluss des Werkstoffs
Nicht jedes Metall beeinflusst das elektromagnetische Feld in gleicher Weise.
Die Sensorempfindlichkeit kann deshalb vom Werkstoff des zu erkennenden Bauteils abhängen.
Bei einer konkreten Anwendung sollte geprüft werden, ob das kleinste vorkommende Bauteil aus dem verwendeten Werkstoff unter realen Bedingungen zuverlässig erkannt wird.
Das gilt insbesondere bei sehr kleinen Teilen und großen Ringöffnungen.
Einsatz in CNC-Maschinen
Auch im Umfeld einer CNC-Fräse oder anderer Werkzeugmaschinen können induktive Ringsensoren eingesetzt werden.
Interessant sind sie beispielsweise für die Überwachung ausgeschleuster Werkstücke.
Wird ein kleines Metallteil automatisch aus der Maschine ausgeworfen, kann es durch einen Ringsensor geführt werden.
Die Maschinensteuerung erhält dadurch die Information:
Werkstück tatsächlich ausgeworfen.
Das ist aussagekräftiger als lediglich die Information, dass der Auswurfmechanismus angesteuert wurde.
Prozessüberwachung mit Ringsensoren
Ein Ringsensor kann deshalb Bestandteil einer einfachen Prozessüberwachung sein.
Angenommen, eine Maschine produziert automatisch Metallteile.
Nach jedem Bearbeitungszyklus erwartet die Steuerung innerhalb eines bestimmten Zeitfensters ein Signal vom Ringsensor.
Erfolgt das Signal, wurde das Werkstück erkannt.
Bleibt das Signal aus, kann die Steuerung beispielsweise:
- den nächsten Zyklus verhindern
- eine Störmeldung ausgeben
- einen Werkstückzähler korrigieren
- einen Bedienereingriff anfordern
Damit wird aus einem einfachen Sensor ein wichtiges Element der Prozesskontrolle.
Ringsensor und Schaltfrequenz
Bei schnell aufeinanderfolgenden Werkstücken ist die Schaltfrequenz des Sensors von Bedeutung.
Der Sensor muss jedes einzelne Objekt erfassen können, bevor das nächste die Erfassungszone durchläuft.
Neben der Schaltfrequenz spielen dabei auch Geschwindigkeit, Abstand der Werkstücke, Objektgröße und die Auswertung durch die Maschinensteuerung eine Rolle.
Bei einer Teilezählung sollte deshalb die gesamte Signalkette betrachtet werden:
Werkstück → Ringsensor → Schaltsignal → SPS-Eingang → Zähler
Nur wenn alle Komponenten schnell genug reagieren, kann eine zuverlässige Stückzählung erfolgen.
Auswahl eines geeigneten Ringsensors
Bei der Auswahl eines induktiven Ringsensors sollten insbesondere folgende Eigenschaften berücksichtigt werden:
- Durchmesser der Ringöffnung
- minimale Objektgröße
- Werkstoff des zu erkennenden Teils
- Geschwindigkeit des Objektes
- erforderliche Schaltfrequenz
- statische oder dynamische Erkennung
- Betriebsspannung
- PNP- oder NPN-Ausgang
- Schließer- oder Öffnerfunktion
- Anschlussart
- Schutzart
- Umgebungstemperatur
- Einbausituation
- Umgebungsbedingungen
Besonders wichtig ist das Verhältnis zwischen Ringöffnung und zu erkennendem Objekt.
Ein möglichst großer Ring ist nicht automatisch vorteilhaft. Die Öffnung sollte vielmehr so gewählt werden, dass das Werkstück sicher hindurchgeführt werden kann und gleichzeitig zuverlässig erkannt wird.
Ringsensor oder Lichttaster?
Ein Ringsensor und ein Lichttaster können beide zur Teileerkennung eingesetzt werden, arbeiten jedoch nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien.
Der induktive Ringsensor reagiert auf Metall und benötigt keine optische Erkennung des Werkstücks.
Ein Lichttaster arbeitet dagegen mit ausgesendetem und reflektiertem Licht.
In Umgebungen mit Staub, Öl oder wechselnden optischen Eigenschaften eines Werkstücks kann die induktive Erkennung metallischer Teile Vorteile bieten.
Soll dagegen ein nichtmetallisches Objekt erkannt werden, ist ein optisches oder anderes geeignetes Sensorprinzip erforderlich.
Ringsensor und Referenzschalter
Ein induktiver Ringsensor ist normalerweise nicht für dieselbe Aufgabe vorgesehen wie ein Referenzschalter.
Ein Referenzschalter dient dazu, einer Maschinenachse eine reproduzierbare Bezugslage zu geben.
Der Ringsensor wird dagegen hauptsächlich zur Objekt-, Durchlauf- oder Teileerkennung eingesetzt.
Beide Sensorarten können induktiv arbeiten, erfüllen innerhalb einer Maschine jedoch unterschiedliche Aufgaben.
Fazit
Der induktive Ringsensor ist eine besondere Bauform des induktiven Sensors. Seine aktive Erfassungszone befindet sich innerhalb einer ringförmigen Öffnung, durch die das zu erkennende Metallteil geführt wird.
Dadurch eignet sich der Sensor besonders zur Erkennung kleiner Metallteile und für Anwendungen wie Teilezählung, Durchlaufkontrolle, Anwesenheitsüberwachung und Prozesskontrolle.
In automatisierten Maschinen kann ein Ringsensor beispielsweise überprüfen, ob ein produziertes Werkstück die Maschine tatsächlich verlassen hat. Über eine SPS oder Maschinensteuerung lässt sich das Sensorsignal anschließend zählen oder zur Prozessüberwachung verwenden.
Der induktive Ringsensor ergänzt damit klassische Initiatoren, kapazitive Sensoren, PNP- und NPN-Sensoren sowie Referenzschalter innerhalb der industriellen Sensorik.