Mit IO-Link-Sensoren durch Wände sehen

In der industriellen Automation detektieren kapazitive Sensoren diverse Medien und werden besonders häufig zur Grenzstandüberwachung von Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Das Alleinstellungsmerkmal des kapazitiven Sensors ist seine Fähigkeit, durch Behälterwände „hindurchzuschauen“.

Der Sensor ist durch das Einstellen einer Schaltschwelle so parametrierbar, dass er Behälterwände aus Kunststoff, Glas, Papier oder anderen nicht-metallischen Materialien ausblendet. Diesen „Durchblick“ nutzen industrielle Anwender häufig zur Kontrolle von Tanks, Rohren oder anderen Behältern. Aber auch die Bestückung von Verpackungseinheiten, beispielsweise in Kartons, kann damit im Nachhinein kontrolliert werden.

Kapazitativer Sensor ist wie ein Kondensator

Ein kapazitiver Sensor ähnelt vom Aufbau her einem Kondensator: Er besteht aus zwei Platten (Elektroden), zwischen denen eine elektrische Ladung gespeichert werden kann. Nicht-medienberührende kapazitive Sensoren sind so gebaut, dass die Kapazität zwischen der aktiven Elektrode und dem elektrischen Erdpotenzial gemessen wird. Durch die Annäherung eines Mediums an die aktive Fläche des Sensors vergrößert sich die Kapazität und beeinflusst so die Schwingungsamplitude des Oszillators. Diese Änderung wird als Signal interpretiert

Kann der Schaltpunkt kapazitiver Sensoren eingestellt werden, ergibt sich daraus der große Vorteil kapazitiver Sensorik. Der Schaltpunkt ist so wählbar, dass eine gewisse Grundkapazität, die beispielsweise von der Bedämpfung durch eine Kunststoffwand herrührt, ausgeblendet wird. Das funktioniert mit den üblichen Behältermaterialien. Für eine zuverlässige Detektion der Medien ist ihre Dielektrizitätszahl der entscheidende Faktor.

Dieser Blick durch die Wand erlaubt die Montage außen am Behälter, was zumeist erheblich einfacher ist als eine Montage im Inneren. Bei aggressiven und korrosiven Flüssigkeiten gibt es häufig gar keine Alternative zu einer Detektion von außen. Auch eine mögliche Kontamination der Medien lässt sich durch Grenzwerterfassung von außen zuverlässig verhindern.

Der Schaltpunkt wurde bislang bei der Mehrzahl kapazitiver Sensoren über Potenziometer eingestellt. Wenn Wasser in einem Plastikbehälter erkannt werden soll, ist diese Einstellung per Schraubendreher kein Problem. Wenn aber die Plastikwand dicker ist oder das Medium nur eine geringe Dielektrizitätszahl aufweist, kann die Einstellung des Schaltpunkts knifflig werden. Verschmutzen der Sensor oder die Behälterwand dann noch etwas, kann der Sensor durchschalten und der Grenzwert wird nicht mehr korrekt erkannt.

Turck hatte die Parametrierung seiner kapazitiven Sensoren durch den Ein-Klick-Teach der BCT-Reihe bereits vereinfacht. Jetzt wird die BCT-Reihe mit der intelligenten Kommunikationsschnittstelle IO-Link erweitert, was insbesondere bei schwer detektierbaren Medien Transparenz bei der Sensorparametrierung bietet und zudem eine vorausschauende Wartung ermöglicht. Dank IO-Link kann der BCT einfach aus der Steuerung auf das Medium oder den Leerzustand geteacht werden. Einfach ist auch die Einstellung des Sensors über DTM-Frameworks wie Pactware.

Bei leicht zu detektierenden Medien bietet sich der Ein-Klick-Teach an. Dieser ist bei den BCT-Modellen mit Teach-Tasten auch weiterhin direkt am Gerät möglich. Der Sensor setzt beim Leer-Teach den aktuell gemessenen Wert als Leerzustand und legt den Schaltpunkt kurz darüber beziehungsweise darunter, da ein unbedämpfter kapazitiver Sensor den maximalen Prozesswert ausgibt.

Bei schwerer zu detektierenden Medien oder Flüssigkeiten, die von ihrem Schaum unterschieden werden müssen, bietet sich ein Komplett-Teach an. Dabei werden beide Extremwerte eingelernt, voll und leer beziehungsweise Schaum. Der Sensor legt den Schaltpunkt dann in die Mitte der beiden Extremwerte.

Besonders hilfreich ist die Anzeige das „Quasi-Analogwerts“ in Pactware oder in der Steuerung. Der Wert zwischen 0 und 2000 stellt den sonst verborgenen Messwert des Sensors dar. Wobei 0 bei kapazitiven Sensoren der vollen Bedämpfung mit Wasser entspricht und 2000 den absolut unbedämpften Zustand darstellt.

Die Prozesswertanzeige unterstützt bei der Parametrierung und zeigt an, wieviel Signalreserve zwischen den beiden Schaltzuständen des Sensors liegt. Der Sensor verfügt zwar über eine Benetzungskompensation, die Ablagerungen und leitfähige Filme an Behälterwänden ausblendet.

Wenn der Grad der Verschmutzungen jedoch überhand nimmt, ist über die Prozesswertanzeige nachvollziehbar, wann eine Reinigung des Behälters nötig wird. Die transparente Grenzwerterfassung ermöglicht, die Reinigung passend zum Produktionsablauf und anderen Wartungsarbeiten zu planen.

Die kapazitiven BCT-Sensoren von Turck unterstützen dank IO-Link weitere Features zur vorausschauenden Wartung. Die integrierte Temperaturerfassung meldet, wenn der Grenzwert im Sensor überschritten wird. Außerdem überwacht der Sensor den Zustand der Versorgungsspannung und meldet Unregelmäßigkeiten als IO-Link-Event. So können Drahtbrüche frühzeitig erkannt und behoben werden, bevor sie die Produktion lahmlegen.

Die intelligente Datenhaltung mit IO-Link 1.1 erlaubt zudem das Speichern aller Parameterdaten im IO-Link-Master. Sollte ein Sensor einmal ausgetauscht werden müssen – beispielsweise aufgrund einer mechanischen Beschädigung –, kann im Handumdrehen ein neuer Sensor montiert werden, der alle Parameterdaten direkt aus dem IO-Link-Master übernimmt. Ein erneutes Teachen des Austauschprodukts entfällt damit.

Für Anwender, die gern vor Ort ihren Sensor teachen möchten, sind weiterhin Varianten mit Teach-Tastern erhältlich. Alle BCT-Geräte können zudem neben IO-Link auch mit Teach-Adaptern über Pin5 eingelernt werden. Die zwei Varianten der BCT-Reihe – mit oder ohne Teach-Taster – sind wiederum in zwei Bauformen erhältlich: als M18-Ausführung mit fünf Millimetern und als M30 mit zehn Millimetern Norm-Schaltabstand bei bündigem Einbau.

Alle vier Varianten sind sowohl als NPN-Version wie als PNP-Version erhältlich. Neben den kapazitiven Sensoren bietet Turck auch in allen anderen Bereichen der Fluidsensorik Varianten mit IO-Link-Schnittstelle an. hei