Seit jeher sind kapazitive Sensoren als hochpräzise Messtechnologie für saubere Umgebung bekannt, die beispielsweise im Reinraum zu finden ist. Doch auch im industriellen Umfeld werden sie zunehmend eingesetzt – immer dann, wenn hohe Genauigkeit gefordert ist, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren Bedingung ist.
Das Prinzip der kapazitiven Wegmessung basiert auf der Wirkungsweise des idealen Plattenkondensators. Eine Abstandsverschiebung der Platten – Sensor und Messobjekt – bewirkt eine Änderung der Gesamtkapazität. Durchfließt ein Wechselstrom konstanter Frequenz und konstanter Amplitude den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor dem Abstand zum Messobjekt (Masse-Elektrode) proportional.
Die Abstandsänderung des Messobjekts zum Sensor wird im Controller abgegriffen, aufbereitet und als Messwert über verschiedene Ausgänge zur Verfügung gestellt. Für eine stabile Messung ist eine gleichbleibende Dielektrizitäts-Konstante zwischen Sensor und Messobjekt erforderlich, da das Messsystem nicht nur vom Abstand der Elektroden abhängt, sondern auch auf Änderungen des Dielektrikums im Messspalt reagiert.
Um die höchste Messpräzision zum Beispiel im Nanometer-Bereich zu erzielen, sollte die Umgebung sauber und trocken sein. Als elektromagnetisches Verfahren misst ein kapazitives Messsystem standardmäßig auf alle leitfähigen Objekte mit gleichbleibender Empfindlichkeit und Linearität. Das System wertet den Blindwiderstand des Plattenkondensators aus, der sich mit dem Abstand ändert. Kapazitive Sensoren können unter bestimmten Bedingungen auch gegen Isolatorwerkstoffe messen, wobei in der Regel die Sensormasse als Gegenelektrode fungiert und der Isolatorwerkstoff als Koppelmedium.
Ein annähernd lineares Ausgangssignal wird auch für Isolatoren durch elektronische Beschaltung möglich. Kapazitive Sensoren zählen zu den präzisesten Messsystemen überhaupt – es werden Auflösungen von weit unter einem Nanometer erzielt. Da thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen des Messobjekts keinen Einfluss auf die Messung haben, ist das Prinzip auch bei starken Temperaturschwankungen stabil. Maximale Stabilität: Egal ob nahe am absoluten Nullpunkt oder bei glühenden Bremsscheiben – das kapazitive Messprinzip ist unempfindlich bei Temperaturschwankungen.
Die kapazitiven Messsysteme eignen sich auch für die Erfassung schneller Bewegungen und Prozesse (max. Bandbreite 8,5 kHz). So lassen sich Bewegungsabläufe im laufenden Betrieb schnell und zuverlässig erfassen.
Messung auf allen Oberflächen
Da die Messung bei allen leitenden Objekten durchführbar ist, wird das System nicht durch optische Eigenschaften des Messobjekts beeinflusst. So sind auch transparente oder spiegelnde Oberflächen mit maximaler Genauigkeit zu erfassen. Capa NCDT Systeme von Micro-Epsilon können auch zur linearen Dickenmessung (einseitige Dickenmessung) von Isolatoren eingesetzt werden. Die Feldlinien durchdringen den Isolator und schließen sich mit dem elektrischen Leiter. Ändert sich die Dicke des Isolators, beeinflusst dies den Blindwiderstand Xc des Sensors. Der Abstand zur Gegenelektrode muss dabei konstant sein.
Beispiele für nicht leitende Messobjekte sind Kunststoffe (auch glasfaserverstärkt), Keramiken, Steatit, Porzellan, Glas, Klebstoffe, Harze, Öle oder Gelatine. Bei elektrisch leitfähigen Werkstoffen wie beispielsweise Metallen ist durch gegenüberliegende Anbringung der Sensoren eine zweiseitige Dickenmessung möglich. Durch das kapazitive Messprinzip erfolgt die Messung ausschließlich gegen die Oberfläche, ohne ein Eindringen des Feldes in das Messobjekt. Dadurch kann die Dicke auch von sehr dünnen Werkstoffen zuverlässig gemessen werden. Jeder der beiden Sensoren liefert ein lineares Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Abstand der Sensorstirnseite zur Messobjektoberfläche. Ist der Abstand der Sensoren bekannt, ist die Dicke des Messobjektes auf einfache Weise bestimmbar. Werden die Messkanäle synchronisiert, ist die Messung auch gegen nicht geerdete Messobjekte möglich. Beispiele für leitende Messobjekte sind Metalle, Graphit, Silizium, CFK oder Wasser.
Sehr breiter Anwendungsbereich
Kapazitive Sensoren werden in einem sehr breiten Anwendungsbereich eingesetzt. In der Halbleiterindustrie werden mit ihnen beispielsweise Wafer auf ihre Dicke vermessen. Genauso werden die Sensoren in Objektiven zur höchstpräzisen Positionsmessung von Linsen im Sub-Nanometerbereich eingesetzt. Ein universeller Einsatz erfolgt in Prüflaboren, wo verschiedenste Abstandsmessungen mit wechselnden Sensoren erfüllt werden können. In der Medizintechnik wird mit den kapazitiven Sensoren die Gleichmäßigkeit von Gelatine zur Tablettenumhüllung gemessen. An anderer Stelle wird ein kapazitives Messsystem als absolut verschleißfreier Schalter in Operationsmikroskopen eingesetzt. ä
Einfache Bedienung per Web-Oberfläche
Insbesondere die einfache Bedienung und die Kompatibilität des Produktprogramms zeichnen die Capa NCDT Controller aus. Die Komponenten sind komplett tauschbar, ohne dass eine aufwendige Kalibrierung erforderlich ist. Das umständliche Einstellen über Jumper oder Drehregler entfällt. Der Austausch von Sensoren, Kabel oder Controller erfolgt innerhalb weniger Sekunden. Da alle Komponenten zueinander kompatibel sind, können auch Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen einfach und schnell an den Controller angeschlossen werden.
Das Einstellen und Parametrieren des Controllers erfolgt über eine Bedienoberfläche auf dem Webbrowser. Dazu wird der Controller über eine Ethernet-Schnittstelle an einen Rechner angeschlossen und über eine vorgegebene IP-Adresse verbunden. Ohne aufwendige Softwareinstallation wird im Web-Browser eine übersichtliche Bedienoberfläche ausgeführt, mit der die Parametrierung, die Datenverrechnung und Anzeige vorgenommen wird. Darüber hinaus lassen sich Setups speichern und laden und somit einfach auf weitere Controller übertragen. ■
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