Vom Kondensator zum Kapazitiven Sensor – Wissenswertes über eine bewährte Technologie

Die Geschichte der kapazitiven Sensoren begann bereits im Jahr 1745. Unabhängig voneinander experimentierten der Domdechant Ewald Jürgen Georg von Kleist und ein Jahr später der Naturwissenschaftler Pieter van Musschenbroek mit der Anordnung von Gläsern und Metallteilen, wobei sie bei ihren Versuchen leichte Stromschläge erlitten. Diese Entdeckung ist heute als Kleistsche- oder Leidener Flasche bekannt und stellt den ersten Kondensator der modernen Geschichte dar. Dieser Kondensator wurde in der Folgezeit stetig weiterentwickelt, wodurch sich laufend neue  Anwendungsmöglichkeiten ergaben, u. a. auch in der Sensortechnik, dort besser bekannt als kapazitive Sensoren.

 

Diese Sensoren sind gewissermaßen Kondensatoren mit speziellen Bauformen, die es ermöglichen, die Kapazität variabel zu halten und diese anschließend über eine elektronische Schaltung zu bewerten. Erreicht werden kann diese Variabilität u. a. mit beweglichen Kondensatorplatten. Vergrößert sich durch eine mechanische Kraft der Abstand der Platten zueinander, verringert sich die Kapazität des Kondensators. Besteht eine Seite des Kondensators nun aus einer Membrane, lässt sich beispielsweise ein Wasserdruck ermitteln. Wird dieser Sensor in einen See getaucht, so lässt sich über den hydrostatischen Druck der Füllstand ermitteln. 


Eine andere Möglichkeit, die Kapazität zu beeinflussen, bietet der Isolator zwischen den Kondensatorplatten. Ermöglicht wird dies beispielsweise durch Zylinderkondensatoren, bei denen ein Stab die eine und ein übergestülptes Rohr die andere Kondensatorplatte darstellt. Wird nun die Luft in dem Rohr durch ein anderes Medium mit einer größeren Permittivität εᵣ verdrängt, ändert sich auch hier die  Kapazität und lässt sich bspw. in eine Strecke umrechnen.

 

Anwendung finden diese Verfahren in unseren Druck-, Füllstands- und Niveausensoren, die über unseren Produktselektor schnell zu finden sind. Die Kondensatorplatten müssen nicht zwangsläufig parallel verlaufen, beziehungsweise sich gegenüberstehen. Ein Kondensator mit aufgeklappten oder hintereinanderliegenden Platten könnte als offen verstanden werden und ist die Grundlage unserer kapazitiven Näherungsschalter, die absoluten Klassiker dieser Sensorfamilie. Auch hier besteht der Isolator in der Ausgangslage in der Regel aus Luft. Wird diese durch ein anderes Medium verdrängt, ändert sich die relative Permittivität im Erfassungsraum des Sensors, wodurch ein Schaltvorgang ausgelöst werden kann. 

 

Elektrische Felder können sich immer ausbreiten. Daher dient das Vakuum ε0 als Referenzpunkt der relativen Permittivität εᵣ. In der Praxis erfassen die Sensoren jedes Material mit einer relativen Permittivität von >1,5. Je größer dieser Wert ist, desto größer wird im Endeffekt auch der Schaltabstand. Durch die Möglichkeit, den Schwellwert der Sensoren einstellen zu können, wird der Anwendungsbereich nochmals immens erweitert. Beispielsweise lassen sich Füllstände durch eine Kunststoff- oder Glaswandung erfassen, sofern die Permittivität des Mediums die der Wandung um etwa das Fünffache übersteigt. 

 

Da die Näherungsschalter dieser Sensorfamilie seit jeher treue Begleiter unseres Portfolios sind, haben wir uns dazu entschlossen, eine Vorzugsserie zu offerieren, um eine gute Balance zwischen Anforderungen und Preis zu wahren. Erhältlich sind die Sensoren in einem zylindrischen Gewindegehäuse für den bündigen Einbau unter den folgenden Artikelnummern. 

 

Artikelnr. Gewindemaß Ausführung
KA080170 M8 2mm Schaltabstand
KA120120 M12 6mm Schaltabstand
KA180120 M18 12mm Schaltabstand
KA300120  M30 25mm Schaltabstand