ifm electronic gmbh Sensorik, Systemkommunikation und … · 2021. 1. 16. · ifm electronic gmbh Sensorik, Systemkommunikation und Steuerungstechnik für die Automatisierung Schulungsunterlagen

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ifm electronic gmbh

Sensorik, Systemkommunikationund Steuerungstechnikfür die Automatisierung

SchulungsunterlagenÎ

Magnetische Näherungsschalterund Zylinderschalter

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Schulungsunterlagen Magnetische Näherungs- und Zylinderschalter Seite 2 von 34

Schulungsunterlagen Auswertesysteme (Stand März 2003)

Hinweis zur Gewährleistung

Dieses Handbuch wurde unter Beachtung der größtmöglichen Sorgfalt erstellt. Gleichwohl kann keine Garantie fürdie Richtigkeit des Inhaltes übernommen werden.

Da sich Fehler trotz intensiver Bemühungen nie vollständig vermeiden lassen, sind wir für Hinweise jederzeit dankbar.

Im übrigen behalten wir uns technische Änderungen der Produkte vor, so daß sich auch insoweit Abweichungenvon dem Inhalt der Schulungsunterlagen ergeben können.

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Inhaltsverzeichnis

1 SENSOREN IM ANLAGEN- UND MASCHINENBAU 5

1.1 EINLEITUNG 51.2 VERSCHIEDENE MÖGLICHKEITEN ZUR POSITIONSERFASSUNG 61.3 ELEKTRONISCHE SCHALTER 7

2 MAGNETFELDSENSOREN 8

2.1 PRINZIP DER MAGNETFELDSENSOREN 82.2 DER PERMANENTMAGNET 102.3 SCHALTABSTAND UND ANSPRECHEMPFINDLICHKEIT 112.4 BAUFORMEN UND GEHÄUSEMATERIALIEN 122.5 VERSCHIEDENE BEISPIELE FÜR ZYLINDERSCHALTER 13

3 ELEKTRISCHE DATEN 16

4 SPEZIELLE GERÄTE UND BAUFORMEN 16

4.1 UNIVERSELLER ZYLINDERSCHALTER FÜR T-NUT-MONTAGE 164.2 MAGNETFELTFESTE ZYLINDERSCHALTER 17

5 UMGEBUNGSBEDINGUNGEN 17

5.1 TEMPERATUR 175.2 SCHOCK- UND VEBRATIONSFESTIGKEIT 17

6 MONTAGE 18

6.1 VERÄNDERUNGEN DES SCHALTPUNKTE UND DES SCHALT- ABSTANDES DURCH DEN EINBAU 186.1.1 DIE ACHSEN VON SENSOR UND MAGNET BEFINDEN SICH AUF GLEICHER EBENE. 186.1.2 DIE ACHSEN VON SENSOR UND MAGNET SIND UM 90° VERSETZT. 196.2 VERÄNDERUNG DER SCHALTABSTANDES DURCH BÜNDIGEN UND NICHTBÜNDIGEN EINBAU 20

7 EINSATZFÄLLE UND APPLIKATIONEN DER VERSCHIEDENEN MAGNETSCHALTER 21

7.1 MAGNETISCHE NÄHERUNGSSCHALTER 217.1.1 MOLCH-ABFRAGE AM ROHR 217.1.2 CODIERUNGSSYSTEM 227.2 ZYLINDERSCHALTER 237.2.1 GEBRÄUCHLICHE ZYLINDERBAUFORMEN UND DIE ZUGEHÖRIGEN ZYLINDERSCHALTER 25

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8 ANHANG 27

8.1 FUNKTIONSPRINZIP 278.2 MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN 278.3 EINHEITEN 278.4 MATERIE IM MAGNETFELD 288.5 HYSTERESE 298.6 AMORPHE MATERIALIEN 31

9 TYPENSCHLÜSSEL 34

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1 Sensoren im Anlagen- und Maschinenbau

1.1 Einleitung

Vielfältig stellt sich der Einsatz von binären Sensoren undNäherungsschaltern in automatisierten Prozessen dar. So werden anTransportsystemen zur Erfassung des Transportgutes optoelektro-nische Systeme eingesetzt. In Rohrleitungen findet man elektronischeund mechanische Systeme gleichermaßen zur Strömungserfassungbzw. zur Erfassung von Störungen, wobei das strömende Mediumselbst das auslösende Signal liefer t. Zur Kontrolle des Füllstandes inBehältern werden kapazitive Näherungsschalter verwendet. Hiermitkann das Medium durch die Behälterwandung hindurch abgefragtwerden, wenn der Behälter beispielsweise aus Kunststoff oder Glasbesteht. Zur Positionserfassung sind induktive Näherungsschalterbestens geeignet. Im Maschinen- und Anlagenbau werden Metallteilewie Hebel, Schraubenköpfe, Schwenkarme etc. in den Anlagen erfaßt.Durch die große Wiederholgenauigkeit des Schaltpunktes können dieGeräte sehr gut zur Anlagenpositionierung eingesetzt.

Magnetische Sensoren Schwieriger wird es, wenn man ein Objekt durch die Wandung einesMetallgehäuses hindurch erfassen will. Als mögliche Lösungen bietensich Reedkontakte, Hallsensoren oder magnetoresistive Sensoren an.So soll z.B. beim Einsatz von pneumatischen Zylindern die Positiondes jeweiligen Kolbens erfaßt werden. Es reicht dabei aus, fest-zustellen in welcher Endlage sich der Kolben befindet. Die Ableitungder Stellungsmeldung muß durch das geschlossene Metallgehäusedes Zylinders hindurch möglich sein. Dazu ist eine magnetischeEnergie notwendig die durch die Gehäusewandung des Zylindersreicht. Das kann durch ein konstantes Magnetfeld erreicht werden, dasmit Hilfe eines Permanentmagneten erzeugt wird. Dazu ist esselbstverständlich notwendig, daß die Zylinderwandung aus nichtmagnetisierbarem Material (z.B. Aluminium, Messing, Edelstahl)besteht.Auf Basis der induktiven Näherungsschalter bietet die ifm electronicmagnetische Sensoren an, die speziell für die Montage an pneuma-tischen und hydraulischen Zylindern geeignet sind. Zusätzlich gibt esaber auch dieses Funktionsprinzip in Standardgehäusen(quaderförmig und zylindrisch), um beispielsweise Objekte, die zurReinigung von Rohrleitungen eingesetzt werden (Fachbegriff: Molche),erfassen zu können.

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1.2 Verschiedene Möglichkeiten zur Positionserfassung

Zur Positionserfassung von Objekten an und in Rohrsystem gibt esverschiedenste Möglichkeiten.

Mechanische Endschalter Die niedrigen Anschaffungskosten sind häufig Auswahlkriterium fürden mechanischen Endschalter. Die Kraft zur Betätigung wird direktvom Objekt abgeleitet. Soll beispielsweise die Position eines Kolbenserfaßt werden, wird an der jeweiligen Endposition der Schaltermontiert. Eine mechanische Vorrichtung an der Kolbenstange sorgtdafür, das der Hebel am Schalter entsprechend bewegt wird.

Zylinder mit mechanischen Endschaltern

Eigenschaften Beim Einsatz von mechanischen Schalter ergeben sich jedoch diebekannten Nachteile gegenüber elektronischen Näherungsschaltern: Schaltkraft notwendig, also nicht berührungslos niedrige Schaltfrequenz spezielle mechanische Vorrichtungen notwendig Verschleiß an bewegten Teilen Schaltpunktdrift durch Materialermüdung Übergangswiderstände an den Kontakten Anzahl der Schaltspiele ist begrenzt Kontaktprellen Teuer, wenn hohe Schutzart gefordert wird

Reedkontakte Reedkontakte stellen eine preiswerte Möglichkeit dar, Positionenberührungslos zu erfassen. Jedoch sind, wie bei den mechanischenSchaltern, die laufenden Kosten zu beachten. Gegenüber denmechanischen Endschaltern bieten Reedkontakte eine hohe Schutz-art. Ansonsten gelten bei diesen Systemen die gleichen zuvorge-nannten Nachteile der mechanischen Schalter. Hinzu kommt, daß siebei Erschütterung und Vibration leicht beschädigt werden.

Aufbau Reedkontakte sind zwei nahe beeinanderliegende magnetisierteFederkontakte, die in einen Glaskörper eingebracht sind. Befindet sichdieses Röhrchen in einem magnetischen Feld, nehmen die Kontakteunterschiedliche Polarität an und schließen sich sprunghaft. Dadurchwird die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktenhergestellt. Zur mechanischen Stabilisierung befinden sich dieGlasröhrchen meist in Kunststoffgehäusen.

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Reedschalter bei unterschiedlicherAnnäherung des Magneten

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Eigenschaften Reedkontakte haben die folgenden Eigenschaften: berührungslos schaltend, aber mag. Energie höher als bei mag.

Sensoren höhere Schaltfrequenz als bei mechanischen Schaltern Verschleiß der Kontakte Schaltpunktdrift durch Materialermüdung geringe Wiederholgenauigkeit des Schaltpunktes Übergangswiderstände an den Kontakten Anzahl der Schaltspiele ist begrenzt vermindertes Kontaktprellen gegenüber mech. Schaltern hohe Schutzart durch geschlossenen Glaskörper und

Kunststoffgehäuse hohe Einschaltströme möglich anfällig gegen hohe ind. Spannungsspitzen mehr als ein Schaltpunkt durch Nebenfelder niedriger Preis

1.3 Elektronische Schalter

Hallsensoren Hallsensoren erzeugen eine Spannung proportional zur wirksamenmagnetischen Flußdichte. Polarität und Betrag hängen dabei von derRichtung des Magnetfeldes ab.

Magnetoresistive Sensoren Magnetoresistive Sensoren verändern unter Einwirkung einesMagnetfeldes ihren elektrischen Widerstand. Dieser Effekt wird durchEinlagerung von weichmagnetischen Materialien in einen Halbleitererreicht.

Das Feld befindet sich inRöhrchenmitte. Der Reed-schalter hat nur einenSchaltpunkt.

Das Hauptfeld befindet sich inder Mitte des Röhrchens.Rechts und links davon befin-den sich die beiden Nebenfel-der. Dadurch ergeben sichdrei Schaltpunkte.

Es ergeben sich zwei Felderfür zwei Schaltpunkte. In derMitte des Röhrchens bleibendie Kontakte geöffnet.

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2 Magnetfeldsensoren

2.1 Prinzip der Magnetfeldsensoren

Begriffe Für das im folgenden Text beschriebene Schalterprinzip sind ver-schiedene Begriffe gebräuchlich. Diese Begriffe werden gleichwertignebeneinander benutzt. Wobei bei Sensoren nicht grundsätzlichzwischen Geräten mit analogen und digitalen Ausgangsfunktionenunterschieden wird.Bei den Schaltern ist zwar das Sensorprinzip analog, jedoch wird dasgelieferte Signal in der Auswertestufe digitalisiert. Somit steht nur einbinäres Ausgangssignal zur Verfügung.

Magnetschalter Magnetfeldschalter Magnetfeldsensoren Magnetische Sensoren Magnetische Näherungsschalter

Der Vergleich Grundsätzlich entspricht der Aufbau der Magnetsensoren dem derinduktiven Näherungsschalter. Das Blockbild zeigt den induktivenNäherungsschalter aufgeteilt in drei Stufen: Sensor mit Oszillator,Auswertung und Endstufe.

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Prinzipielle Funktionsweiseder magnetische Näherungsschalter Bei einem indukti ven Näherungsschalter wird also durch Bedämpfung

mit einem metallischen Gegenstand der Schaltvorgang ausgelöst. Inden magnetischen Näherungsschaltern wird dieser Effekt in der Artausgenutzt, daß durch Einbringen eines dünnen Metallstreifens seitlichzur Spule, der Schwingkreis soweit vorbedämpft wird, daß sich keineSchwingung aufbauen kann. Der Metallstreifen befindet sich in Formeines amorphen Glasmetalls - das hochpermeable undweichmagnetische Eigenschaften besitzt - im Gehäuse desNäherungsschalters. Geht man von einem Gerät mit Schließerfunktionaus, ist im bedämpften Zustand die Endstufe des magnetischenNäherungsschalters also nicht geschaltet.

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2.2 Der PermanentmagnetÒ

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Feldlinienverlauf bei einem Permanentmagneten

Prinzip Überlegen wir nochmals was in dem Glasmetall eigentlich passiert:Die Wirbelströme im Metall werden durch das wechselnde Magnetfelderzeugt. Soll dieser Effekt nicht entstehen, ist es notwendig denMetallstreifen in eine magnetische Sättigung zu bringen. Das istmöglich durch ein zusätzliches stärkeres Magnetfeld von außen. Bei-spielsweise durch das Feld eines Permanent- bzw. Dauermagneten.Dieser Magnet sorgt dafür, daß sich die Molekularmagneten im Metallentsprechend dem magnetischen Feld des Dauermagnetenausrichten.

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Molekulamagneten im Metall

Schaltsignal Durch die Ausrichtung der Molekularmagneten werden die Wirbel-ströme reduziert und somit die Verluste im Schwingkreis verkleinert.Dieses Entdämpfen des Schwingkreises wird als Schaltsignal ausge-wertet. D. h., bei einem Schließer wird der Ausgang durchschalten.

Bei induktiven Näherungsschaltern wird bei Annähern einerMetallfahne der Ausgang durch Bedämpfung des Schwingkreisesgeschaltet.

Bei magnetischen Näherungsschaltern wird bei Annäherung einesPermantmagnet der Ausgang durch Entdämpfung desSchwingkreises geschaltet.

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2.3 Schaltabstand und Ansprechempfindlichkeit

Die Reichweite von magnetischen Näherungsschaltern hängt unmit-telbar von dem verwendeten Magneten ab. Je höher die magnetischeFlußdichte des Magneten, um so größer die Reichweite des Schalters.

Größere Magnete erzeugen höhere Schaltabstände

Ebenfalls wird der Schaltabstand durch den bündigen oder nicht-bündigen Einbau das Magneten in ferromagnetischen Stoffenbeeinflußt. Im Kapitel Montage wird darauf näher eingegangen.

Die verwendeten Magnete bestehen aus einem hartmagnetischenWerkstoff, z.B. Stahl legiert mit anderen Metallen, wie Aluminium,Kobalt und Nickel.

Definition Schaltabstand Als Meßnormal für die Definition des Schaltabstandes, wird einOxydmagnet aus Bariumferrit benutzt. Dieser Magnet trägt dieBezeichnung M4.0 und hat einen Durchmesser von 30mm, sowie eineDicke von 10mm.

Meßnormal M4.0 aus Bariumferrit

Toleranz Das Meßnormal definiert also den Realschaltabstand S r. Dieser Wertdarf über den gesamten Temperaturbereich von -25°C bis +75°C eineToleranz von ±10% nicht übersteigen.

Ansprechempfindlichkeit Bei Zylinderschaltern wird kein Schaltabstand angeben. Das Gerät sollso nahe wie möglich am Magneten mont iert sein. Daraus ergibt sichein minimaler Abstand, der lediglich durch die Dicke der Zylin-derwandung, durch Gerätebauform und Gerätehalterung vorgegebenwird. Die Ansprechempfindlichkeit der Geräte selbst wird angeben mit3..25mT (Milli-Telsa).

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Hysterese Die Hysterese definiert den Abstand zwischen dem Ein- und demAusschaltpunkt. Sie kann 1%..10% des Realschaltabstandes betra-gen.

Wiederholgenauigkeit Die Wiederholgenauigkeit, auc h Reproduzierbarkeit genannt, ist dieDifferenz die bei zwei Messungen des Schaltabstandes auftritt. DieMessungen müssen unter gleichen Bedingungen in einer bestimmtenZeit erfolgen. Der Wert wird in Prozent angegeben und beträgt max1% des Realschaltabstandes.

2.4 Bauformen und Gehäusematerialien

Bei den magnetischen Näherungsschalter stehen zylindrische undquaderförmige Gehäusebauformen zur Verfügung. Die verschiedenenMaße sind aus der Tabelle ersichtlich.

Gehäuse Zylinderschalter Die Gehäuse der magneti schen Zylinderschalter sind speziell auf dieMontage am Zylinder direkt angepaßt. Für die verschiedenen Zylin-derformen gibt es unterschiedliche Geräte. Im nächsten Bild sind diegebräuchlichsten Zylinder im Profil dargestellt. Die Gehäuse könnenaus Kunststoff oder Aluminium bestehen. Die elektrische Verbindungerfolgt über 2m PPU-Kabel oder M12x1-Stecker, wobei die kleinerenBauformen mit einem M8x1-Stecker ausgestattet sind.

Bauform zyl. zyl. zyl. quad.

Ø /mm M8x1 M12x1 M18x1

Kabel inPPU 2m 2m 2m 2m

mit Kabel/mm L=50 L=50 L=50

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Stecker M8x1 M12x1 M12x1 M8x1

mitStecker/mm

L=59 L=62,5 L=65BxHxL10x15x39

Material Messingvernickelt

Messingvernickelt

Messingvernickelt

Kunststoff

Tabelle Gehäuse der magnetischen Näherungsschalter

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2.5 Verschiedene Beispiele für Zylinderschalter

Zylindrische Bauform (ME5001)

Gerät für Rundzylinder (MK5001)

Gerät für Rundzylinder (MK5004)

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Gerät für Zugstangenzylinder (MK5006)

Gerät für Zugstangenzylinder (MK5008)

Gerät für Profilstangenzylinder (MK5012)

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Gerät für T-Nut-Zylinder

Quaderförmiger Magnetschalter

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3 Elektrische Daten

Stromversorgung Die magnetischen Näherungsschalter und die Zylinderschalter sind 3-Leiter DC-Geräte und für eine Betriebsspannung von 10 bis 30 Vausgelegt. Bei fast allen Geräten besteht die Möglichkeit die Endstufemit 300mA zu belasten. Lediglich die beiden Typen für T-Nut-Zylinderhaben wegen der kleinen Bauform eine Dauerstrombelastbarkeit von200 bzw. 150mA.

4 Spezielle Geräte und Bauformen

Um den Einsatz der Zylinderschalter universeller zu gestalten, wurdenzwei neue Bauformen entwickelt, die das Standardprogrammerweitern sollen.

4.1 Universeller Zylinderschalter für T-Nut-MontageZylinderschalter dieser Bauart werden direkt in die T-Nut des Zylindersgeschoben und mit einer Madenschraube befestigt. Die bereitsangebotenen Bauformen haben den Nachteil, daß sie jeweils zu einerZylinderbauform passen müssen. D.h., jeder Zylinderhersteller hatseine eigenen Nutmaße und somit seine eigenen Schaltermaße. Derneue ifm-Schalter wurde so konstruiert, daß er in viele Zylindereingebaut werden kann. Durch seine ovale Bauform muß er lediglichdurch den Spalt der T-Nut passen. Beim Befestigen wird mit Hilfe einerMadenschraube das Sensorgehäuse unter den Rand der Nut gepreßtund schließt dort bündig ab.

T-Nut-Zylinderschalter

!!!! Zeichnung Einbau in die T-Nut

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4.2 Magnetfeltfeste Zylinderschalter

Elektronische Näherungschalter sind vielen äußeren Einflüssenunterlegen. Besonders beim Einsatz in Schweißanlagen, werdenspezielle Schutzmaßnahmen gegen die hohen elektromagnetischenFelder, die beim Schweißvorgang erzeugt werden, benötigt. Die neuenmagnetfeldfesten Zylinderschalter erfüllen diese Forderung. Sie sindstörfest in allen Schweißstromfeldern wie AC DC Mittelfrequenz (100Hz)

Das Vollmetallgehäuse besteht aus Zinkdruckguß und ist wahlweisemit Teflon beschichtet. Durch eine spezielle Kelmmvorrichtung könnendie Geräte an Zug- und Profilstangenzylinder eingesetzt werden.

Magnetfeldfest Zylinderschalter

5 Umgebungsbedingungen

5.1 Temperatur

Die Geräte sind für einen Temperaturbereich von -25° bis +75°Causgelegt.

5.2 Schock- und Vebrationsfestigkeit

Der Wert 30g (11ms; 10-55Hz;1mm) entspricht den Standardangabenbei Näherungssschaltern

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6 Montage

6.1 Veränderungen des Schaltpunkte und des Schalt-abstandes durch den Einbau

Anfahrkurven Von der Montage der Geräte und Magnete zueinander, hängt sehrstark die Funktions- und Arbeitsweise der magnetischen Näherungs-schalter ab. Der Magnet kann sich frontal oder seitlich dem Sensornähern, wobei die Achsen von Sensor und Magnet jeweils in dergleichen Ebene liegen oder 90° zueinander gedreht sein können.Zusätzlich ist zu beachten, daß sich durch bündigen bzw.nichtbündigen Einbau des Magneten der Schaltabstand des Sensoresverändert. In den folgenden Zeichnungen werden die verschiedenenVarianten ausführlich dargestellt.

6.1.1 Die Achsen von Sensor und Magnet befinden sich aufgleicher Ebene.

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6.1.2 Die Achsen von Sensor und Magnet sind um 90°versetzt.

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6.2 Veränderung der Schaltabstandes durch bündigen undnichtbündigen Einbau

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7 Einsatzfälle und Applikationen der verschiedenenMagnetschalter

7.1 Magnetische Näherungsschalter

7.1.1 Molch-Abfrage am Rohr

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7.1.2 Codierungssystem

Oft ist es notwendig Objekte durch Wandungen von Behältern undRohren zu erfassen (siehe vorheriges Bespiel). Die Wandungenbestehen dabei häufig aus Edelstahl oder Kunststoff. Sollen einzelneObjekte voneinander unterschieden werden, so ist ein Codiersystemnotwendig. Magnetische Näherungsschalter können hierfür sehr guteingesetzt werden. Durch die unterschiedliche Anordnung derMagnete werden verschiedene Empfangsbereiche am Sensor erzeugt.In den nächsten beiden Skizzen sind die daraus resultierendenAusgangssignale in Abhängigkeit von Position und Richtung derMagnete dargestellt.

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7.2 Zylinderschalter

Pneumatikzylinder Zylinderschalter werden auf den jeweiligen Zylindern direkt montiert.Abgefragt wird dabei der Ringmagnet der im Zylinder an derKolbenstange befestigt ist. Das Gehäuse des Zylinders besteht dabeiaus nichtmagnetischen Materialien, wie beispielsweise Kunststoff,Aluminium, Messing oder Edelstahl.

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7.2.1 Gebräuchliche Zylinderbauformen und die zugehörigenZylinderschalter

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8 Anhang

Grundlagen Magnetsensoren

Im folgenden Text werden einige Grundbegriffe erläutert, die zumVerständnis des Funktionsprinzips des Magnetschalters notwendigsind.

8.1 Funktionsprinzip

Kurz und knapp Ein magnetischer Sensor bes teht im Prinzip zunächst aus den glei-chen Komponenten wie ein induktiver Sensor. Zusätzlich enthält ereinen Streifen aus amorphem Glasmetall, der hochpermeable undweichmagnetische Eigenschaften besitzt.

Muß ich das wissen? Ist damit alles klar? Genügt das als Erklärung? Falls nicht, dann solltenwir uns doch noch etwas mit den Grundlagen beschäftigen.

Begriffe Es geht um die drei Begriffe hochpermeabel, weichmagnetisch undGlasmetall. Die ersten beiden beziehen sich auf die magnetischenEigenschaften des Materials, der dritte auf die Struktur des Materials.Es handelt sich dabei um amorphe Materie. In der folgenden Übersichtwird versucht, diese Begriffe kurz darzustellen und zu erläutern.

8.2 Magnetische Eigenschaften

8.3 Einheiten

Auch wenn wir uns auf das wesentliche beschränken wollen, kommenwir doch nicht darum herum, uns mit den beiden Grundgrößen desmagnetischen Feldes zu beschäftigen.

B und H Die eine ist die magnetische Feldstärke H, die andere die magnetischeInduktion oder Flußdichte B.

Die Einheiten sind:

[H] = 1 Am-1

[B] = 1 T = 1 Vsm-2

1 T = 1 Tesla

Tesla Ist ein Tesla viel?

Zum Vergleich: Das magnetische Feld der Erde hat ca. 10 -4 T. Diestärksten Permanentmagnete erreichen gerade so die Größenordnung1 T. Mit starken Elektromagneten erreicht man auch höhere Werte. Fürdie Magnetfelder, mit denen man es aber normalerweise zu tun hat, istein Tesla viel.

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Im Vakuum oder praktisch auch in Luft ist der Zusammenhangzwischen diesen beiden Größen ganz einfach. Er wird durch folgendeGleichung dargestellt:

B = k0H ( 1)

k0 = 1,26 10-6 Vs A-1m-1

Wozu B und H? In vielen Fällen ist der Zusammenhang zwischen der magnetischenFeldstärke und der magnetischen Induktion auch bei Materie ebensoeinfach, d. h. sie können mit einem konstanten Faktor umgerechnetwerden. Aus diesem Grunde wird auch häufig in der Literatur, inBüchern, Prospekten oder Beschreibungen nicht genau zwischendiesen beiden Größen unterschieden. Man findet zum Beispiel oftfolgende Angabe: Die Stärke des Magnetfeldes der Erde beträgt ca.10-4 T. Damit ist aber genau genommen die magnetische Induktionund nicht die magnetische Feldstärke angegeben. Für praktischeAnwendungen ist eher die Induktion oder magnetische Flußdichte vonBedeutung, siehe zum Beispiel auch die Beschreibung dermagnetfeldfesten Näherungsschalter.

Um jedoch beschreiben zu können, was geschieht, wenn spezielleMaterialien in ein Magnetfeld kommen, dann muß der Zusammenhangdieser beiden Größen etwas genauer betrachtet werden.

8.4 Materie im Magnetfeld

Zunächst soll folgende einfache Situation betrachtet werden. Bringtman zum Beispiel eine Platte aus beliebigem Material in ein Magnet-feld, so daß die Platte senkrecht von den Feldlinien durchdrungenwird, dann wird die Feldstärke (zu beachten: die Feldstärke, nicht dieInduktion) im Inneren bei den meisten Materialien abgeschwächt.

Abbildung 1: Materie im Magnetfeld

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Permeabilität kr : Permeabilitätszahl (manchmal auch einfach Permeabilität)

Gelegentlich wird auch ein anderer Parameter angegeben. Er soll hierkurz beschrieben werden.

Die Differenz zwischen der Feldstärke außen H 0 und innen Hm wirdMagnetisierung genannt.

H0 - Hm = M : Magnetisierung

Aus ( 2) erhält man daraus

H0 - Hm = M = (kr - 1)Hm= mHm

Suszeptibilität kr - 1 = m : magnetische Suszeptibilität

kr bzw. m : Materialeigenschaften

Magnetika Mit diesen Eigenschaften läßt sich das Material klassifizieren(Spezialfälle wurden weggelassen).

kr < 1 ( m < 0)Diamagnetikakr > 1 ( m > 0)Paramagnetikakr >> 1 ( m >> 0) Ferromagnetika

Der Effekt bei Dia- und Paramagnetika ist sehr klein ( m 10-5)Bei Ferromagnetika werden beträcht liche Werte erreicht (typischkr m 102 ... 105)

8.5 Hysterese

B und H in Materie Man kann das Beispiel oben mit der Platte im Feld jetzt andersbeschreiben. Wird ein Magnetfeld, zum Beispiel erzeugt durch einenElektromagneten, angelegt, dann ergibt sich eine magnetischeInduktion, die mit der Feldstärke zusammenhängt. Dafür ergibt sichaus (1):

B = kH ( 3)

Dabei ist:

Permeabilität k = k0kr : (absolute) Permeabilität

Die Permeabilitätszahl gibt also an, wie gut ein Stoff magnetisiert wer-den kann und damit zusammenhängend auch wie sehr das Feld(genauer: die Induktion) dadurch verstärkt wird.

hochpermeabel Damit ist der erste Begriff geklärt. Hochpermeabel bedeutet sehrstark magnetisierbar (kr m 105).

Der Zusammenhang ( 3) sieht scheinbar ganz einfach aus.

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Der Grund, warum wir uns aber so ausführlich mit den beiden Grund-größen - magnetische Feldstärke und magnetische Induktion -befassen mußten, liegt darin, daß die Permeabilität nicht immerkonstant ist. Wäre sie immer konstant, dann könnte man natürlichleicht die magnetische Feldstärke in die magnetische Induktion um-rechnen und sich zum Beispiel nur auf die magnetische Induktionbeschränken.

Ferromagnetika Zur Beschreibung der Magnetisierung von ferromagnetischem Materialreicht die Formel nicht aus, man kann sie besser verstehen, wenn mansie an folgendem Diagramm betrachtet.

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Abbildung 2: Magnetisierungskurve (Hystereseschleife)

Ablauf Aus diesem Diagramm kann man folgendes ablesen:

1. Geht man davon aus, daß zu Beginn das äußere Magnetfeld unddie magnetische Induktion 0 sind, dann beginnen wir im Nullpunktdes Diagramms. Steigt nun die magnetische Feldstärke an, dannsteigt die Induktion zunächst schwach , dann steil an, abernach einer gewissen Feldstärke steigt sie nicht weiter an, hier istdie sogenannte Sättigung erreicht.

2. Wird nun die äußere Feldstärke wieder reduziert und schließlich

wieder auf 0 eingestellt, dann geht die magnetische Induktion nichtauf 0 zurück, sondern es bleibt eine gewisse Größe, diesogenannte Remanenz .

3. Läßt man nun das Magnetfeld in umgekehrter Richtung wieder an-

steigen, dann ergibt sich der obere Teil der Schleife. Erst bei dersogenannten Koerzitivfeldstärke geht B wieder auf 0. Auch innegativer Feldrichtung wird schließlich die Sättigung erreicht .

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4. Jetzt kann das Spiel praktisch von neuem beginnen. Läßt man dasMagnetfeld wieder in der ursprünglichen Richtung ansteigen, so ge-langt man über den unteren Teil der Schleife wieder zum oberenSättigungspunkt . Der erste Teil, die sogenannte Neukurve

, wird nur beim allerersten Mal durchlaufen. Anschließend istdas Material nicht mehr jungfräulich.

Die Gestalt dieser Kurve gibt also wichtige Informationen über die ma-gnetischen Eigenschaften des Materials wieder.

Breite Schleife Bleibt zum Beispiel eine hohe Remanenz zurück, auch wenn dasäußere Magnetfeld H Null beträgt, dann ist das ein erwünschter Effektbei Permanentmagneten.

Ein anderes Beispiel ist die Fläche unter der Kurve. Man kann zeigen,daß sie der Arbeit entspricht, die geleistet werden muß, um dasMaterial einmal hin und her zu magnetisieren. Das ist die sogenannteMagnetisierungsarbeit, die zum Beispiel bei Transformatorblechenvollständig in Wärme umgewandelt wird (Hystereseverlust). BeimMaterial von Transformatorblechen wird also besonderer Wert daraufgelegt, daß die Hystereseschleife besonders schmal ist.

schmale Schleife Ein Material mit dieser Eigenschaft (geringe Remanenz, kleineKoerzitivfeldstärke) wird als magnetisch weich bezeichnet, dasMaterial mit der entgegengesetzten Eigenschaft als magnetisch hart.

weichmagnetisch Damit ist jetzt der Begriff weichmagnetisch erläutert.

8.6 Amorphe Materialien

Aggregatzustände Praktisch alle Materialien, mit denen wir es normalerweise zu tunhaben, liegen in einem der drei bekannten Aggregatzustände vor: fest,flüssig oder gasförmig. Man spricht auch von einer festen und einerflüssigen Phase, dazwischen gibt es einen Phasenübergang. Wennman zum Beispiel Eiswürfel in einem Glas Wasser hat, dann kann manhier eindeutig unterscheiden zwischen der festen und der flüssigenPhase. Durch Erwärmung geht die feste in die flüssige Phase über.

Festkörper Die Aggregatzustände sind natürlich schon seit langem bekannt. Eintiefergehendes und besseres Verständnis dieser Zustände ist möglich,wenn man den atomaren Aufbau der Materie berücksichtigt. EinFestkörper ist dadurch charakterisiert, daß seine Atome in regel-mäßigen Abständen in Form eines Gitters angeordnet sind. Ein idealerFestkörper ist ein Einkristall, das heißt, ein Material, bei dem esüberhaupt keine Unterbrechungen dieser regelmäßigen Struktur gibt,abgesehen natürlich von der Oberfläche. Viele reale Festkörperbestehen nicht aus Einkristallen. Wenn man sie jedoch genauer, zumBeispiel mikroskopisch untersucht, dann kann man feststellen, daßaber - für teilweise auch nur kleine Bereiche - diese regelmäßigeStruktur existiert.

Materialeigenschaften Allein aus der Anordnung und der Art der Atome kann man vieleEigenschaften der Festkörper erklären. Damit sind wir wieder bei derpraktischen Anwendung. Es handelt sich um Materialeigenschaften,

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wie zum Beispiel mechanische Festigkeit, Beständigkeit gegen Abrieb,chemische Beständigkeit gegen Korrosion, elektrische Leitfähigkeit,Verhalten in Magnetfeldern usw. Unter anderem beruht auch unseregesamte Elektronik auf diesen Grundlagen. Erst nachdem es klargeworden war, wie zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit von derZusammensetzung des Materials abhängt, war es möglich, Dioden,Transistoren usw., herzustellen.

amorph Daneben gibt es aber auch noch eine Gruppe von Materialien, die inletzter Zeit an Interesse gewonnen haben. Das sind die sogenanntenamorphen Materialien (amorph bedeutetnur schlecht in das Schema der Aggregatzustände. Einerseitszeichnen sich einige von ihnen durch hohe mechanische Festigkeitaus. Sie unterscheiden sich aber von den Festkörpern dadurch, daßdie Atome in ihnen nicht regelmäßig angeordnet, sondern ungeordnetsind. Ein schon lange bekanntes Beispiel dafür ist Glas. Es ähnelt inseinem mechanischen Verhalten den Festkörpern, in seinem innerenAufbau dagegen den Flüssigkeiten. Amorphe Festkörper werden auchals unterkühlte Flüssigkeiten bezeichnet. Es gibt auch in dem Sinnauch keinen Phasenübergang. Wenn z. B. Glas erhitzt wird, dann wirdes nur weniger fest und beginnt zu fließen. Der Übergang zwischenfest und flüssig ist hier also selber fließend.

amorphes Metall In den letzten Jahren ist es gelungen, auch Metalle in dieser amor-phen Form herzustellen. Man spricht aus diesem Grunde von Glas-metall. Die Herstellung geschieht folgendermaßen: Man sprüht Metallin flüssiger Form auf große rotierende Trommeln, die gut gekühlt seinmüssen. An der Oberfläche erstarrt es sozusagen so schnell, daß eskeine Zeit hat, Kristalle zu bilden. In dieser Form kann es dann inStreifen, ähnlich Lamettastreifen, von der Trommel abgeschabtwerden.

Abbildung 3: Fertigung von Glasmetall

Dieses Glasmetall ist interessant, weil es sich durch bemerkenswerteEigenschaften auszeichnet. Es ist einerseits hochflexibel, besitzt aberandererseits auch eine sehr hohe Festigkeit gegen Zugbean-spruchung. Es ist sehr widerstandsfähig gegen Korrosion.

Glasmetall Damit ist auch der Begriff Glasmetall etwas ausführlicherbeschrieben.

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Was es in unserem Zusammenhang besonders interessant macht, ist,daß es extrem weichmagnetisch ist. Eine technische Anwendung vonGlasmetall ist - siehe oben - der Einsatz als Transformatorblech. Damitsind wir dann auch beim induktiven Sensor angelangt. Bekanntlichkann man auch den induktiven Sensor als Ersatzschaltbild durch einenTransformator darstellen.

Der Unterschied zwischen einem induktiven Sensor und einem Ma-gnetsensor besteht nun in folgendem: Der Magnetsensor besteht auseinem induktiven Sensor, der durch einen Streifen aus Glasmetall be-dämpft ist. Wird der Glasmetallstreifen in das Feld eines äußerenMagneten gebracht, dann ändern sich aufgrund seiner hohenPermeabilität und der Weichheit seine magnetischen Eigenschaften sostark, daß der induktive Sensor entdämpft wird. Der Magnetsensorwird also durch einen Permanentmagneten betätigt.

Welche Konsequenzen dieser Aufbau für das Verhalten desMagnetsensors hat, z. B. ist die Bewegungsrichtung des Magneten zubeachten, wird bei den Sensoreigenschaften genauer beschrieben.

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9 Typenschlüssel

Typenschlüssel für Magnet- und Zylinderschalter

M K R 3 0 7 0 U B P K G / VM = Sensoren für magnetische Bedämpfung

E = zylindrisches Metallgehäuse M 8 x 1 mmF = zylindrisches Metallgehäuse M12 x 1 mmG = zylindrisches Metallgehäuse M18 x 1 mmS = rechteckiges Kunststoffgehäuse 28 x 16 x 10mmK = für Zylinder

- = Standard (nicht bei Z = Zylinder)R = Rundzylinder

Z = Zugstangenzylinder

P = Profilstangenzylinder

N = T-Nut Zylinder

T = Trapeznutzylinder

S = Trapezschienenzylinder

D = DUO-Schienen Zylinder

2 = Zweileiter-System

3 = Dreileiter-System

= 0 bei "für Zylinder"Schaltabstand bezogen auf Magnet M4.0

U = magnetfeldfest

Endstufenbeschreibung(BPKG usw.)

V = Sensor vorne

M = Sensor mittig

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ifm electronic gmbh Sensorik, Systemkommunikation und … · 2021. 1. 16. · ifm electronic gmbh Sensorik, Systemkommunikation und Steuerungstechnik für die Automatisierung Schulungsunterlagen