Entwicklung eines Verfahrens zur Anhaftungserkennung und Trennung von Einflussgrößen bei kapazitiven Näherungsschaltern mit Hilfe der Impedanzspektroskopie

Kapazitive Sensoren, insbesondere kapazitive Näherungsschalter, werden aufgrund ihrer Fähigkeit nahezu beliebige Materialien detektieren zu können bereits seit vielen Jahrzehnten in unterschiedlichsten Applikationen der industriellen Messtechnik eingesetzt. Aufgrund ihrer kompakten Bauform, ihrer hohen Robustheit und ihres vergleichsweise günstigen Preises werden diese Sensoren auch heute noch in vielen Anwendungen eingesetzt. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit auf jegliche Änderung der elektrischen Eigenschaften in der Umgebung der Messelektrode werden kapazitive Näherungsschalter bei der berührungslosen Erkennung von Grenzständen eingesetzt, wobei der Sensor an der Außenseite eines nicht-leitenden Behälters angebracht ist. In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Sensorik immer weiter gestiegen. Statt einfacher Näherungsschalter, die ein binäres Schaltsignal ausgeben, werden heute zunehmend Sensoren gefordert, die ähnlich kompakt sind und die Sensorkapazität als Prozesswert ausgeben. Dadurch können potenziell neue Anwendungsfelder erschlossen werden.
Insbesondere bei der Erkennung hoch-leitfähiger Medien sind Anhaftungen, die sich im Bereich der Messelektrode auf der Behälterinnenseite absetzen, problematisch. Die von den Sensoren gemessene Kapazität ist für das Vorhandensein einer leitfähigen Anhaftung und den tatsächlichen Vollzustand nahezu identisch, was zu Fehlauslösungen des Sensors führen kann. Es existieren bereits Ansätze leitfähige Anhaftungen auszublenden, wie beispielsweise die Verwendung kurzer Impulse als Anregungssignal. Allerdings sind die bei diesen Verfahren auftretenden großen Messfrequenzen ungünstig für das Sensorverhalten bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit. Weiterhin können alternative Messprinzipien, wie beispielsweise Wirbelstromverfahren, verwendet werden. Bei diesen Verfahren ist jedoch die minimale Leitfähigkeit des Mediums, das detektiert werden kann, begrenzt.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Anhaftungserkennung bei kapazitiven Näherungsschaltern, das zusätzlich Informationen über das zu detektierende Medium liefert. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopie gekoppelt mit analytischen und numerischen Modellierungsverfahren wird ein aus drei Parametern bestehendes vereinfachtes Modell entwickelt, das die zuverlässige Unterscheidung von Voll- Leer- und Anhaftungszustand ermöglicht. Einer dieser Parameter, der Gesamtwiderstand, erlaubt Rückschlüsse auf die Leitfähigkeit des zu detektierenden Mediums. Dieses neue Verfahren hat das Potenzial auch in komplexeren Applikationen Anwendung zu finden.