Schaltabstand induktiver Sensoren: Reduktionsfaktor richtig berechnen
Im Datenblatt stehen 8 mm, in der Anlage schaltet der Sensor bei knapp 5 mm. Das ist einer der häufigsten Fälle in der Instandhaltung, und in den meisten Fällen ist der Sensor völlig in Ordnung. Der Katalogwert gilt für eine genormte Stahlplatte unter Laborbedingungen. Sobald ein Objekt aus Edelstahl, Aluminium oder Messing bedämpft, sinkt der Schaltabstand deutlich, teilweise um mehr als die Hälfte.
Dieser Beitrag zeigt, welche vier Schaltabstände die Norm unterscheidet, wie Sie den Reduktionsfaktor anwenden und mit welchem Wert Sie tatsächlich konstruieren sollten.
Was der Schaltabstand im Datenblatt aussagt
Der Schaltabstand ist der Abstand, bei dem ein induktiver Sensor ein sich näherndes Objekt sicher erkennt. Gemessen wird er nach IEC/EN 60947-5-2 unter genau festgelegten Bedingungen:
- Messobjekt ist eine quadratische Normmessplatte aus Baustahl FE 360 (S235) mit 1 mm Dicke.
- Die Kantenlänge entspricht dem Durchmesser des in die aktive Fläche einbeschriebenen Kreises oder dem Dreifachen des Nennschaltabstands, je nachdem welcher Wert größer ist.
- Die Messung erfolgt bei 23 °C plus minus 5 °C, bei Bemessungsspannung und bei frontaler Annäherung.
Der Katalogwert ist damit ein Vergleichswert zwischen Sensoren, keine Zusage für Ihre Applikation. Wer ihn eins zu eins in die Konstruktionszeichnung übernimmt, plant den Schaltpunkt zu optimistisch.
Die vier Schaltabstände nach Norm
Die Norm unterscheidet vier Größen, die in Datenblättern oft nebeneinander stehen und regelmäßig verwechselt werden.
Nennschaltabstand sn
Der Nennwert eines Sensortyps. Fertigungstoleranzen, Temperatur und Betriebsspannung sind darin nicht berücksichtigt. Das ist der Wert, der groß auf der Produktseite steht.
Realschaltabstand sr
Der an einem einzelnen Sensor gemessene Wert bei 23 °C plus minus 5 °C und Bemessungsspannung. Er darf um bis zu zehn Prozent vom Nennschaltabstand abweichen.
Nutzschaltabstand su
Berücksichtigt zusätzlich den zulässigen Temperatur- und Spannungsbereich. Auch hier gilt eine Toleranz von zehn Prozent, diesmal bezogen auf den Realschaltabstand.
Gesicherter Schaltabstand sa
Der Bereich, in dem jeder Sensor dieses Typs unter allen zulässigen Betriebsbedingungen sicher schaltet. Rechnerisch ergibt sich daraus der Faktor 0,81, also das Produkt der beiden Toleranzstufen.
| Größe | Formelzeichen | Toleranzbereich | Wofür Sie ihn verwenden |
|---|---|---|---|
| Nennschaltabstand | sn | Nennwert ohne Toleranzen | Vergleich von Sensortypen |
| Realschaltabstand | sr | 0,90 bis 1,10 x sn | Bewertung eines Einzelgeräts |
| Nutzschaltabstand | su | 0,90 bis 1,10 x sr | Betrieb über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich |
| Gesicherter Schaltabstand | sa | 0 bis 0,81 x sn | Konstruktion und Auslegung |
Die praktische Regel lautet deshalb: Konstruieren Sie mit dem gesicherten Schaltabstand, nicht mit dem Katalogwert.
Reduktionsfaktor: warum Edelstahl und Aluminium anders zählen
Ein induktiver Sensor erzeugt an seiner aktiven Fläche ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld. Nähert sich ein metallisches Objekt, entstehen darin Wirbelströme, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Diese Bedämpfung wertet der Sensor aus.
Wie stark ein Werkstoff bedämpft, hängt vor allem von seiner magnetischen Permeabilität ab; die elektrische Leitfähigkeit wirkt schwächer. Ferromagnetischer Stahl bedämpft am stärksten, gut leitende Nichteisenmetalle wie Kupfer oder Aluminium deutlich schwächer. Das Verhältnis zwischen dem Schaltabstand auf einem Werkstoff und dem Schaltabstand auf der Normmessplatte ist der Reduktionsfaktor.
| Werkstoff | Reduktionsfaktor | Schaltabstand bei sn = 8 mm | Hinweis |
|---|---|---|---|
| Baustahl S235 / FE 360 | 1,00 | 8,0 mm | Referenz der Norm |
| Grauguss | 0,90 bis 1,00 | 7,2 bis 8,0 mm | je nach Legierung |
| Edelstahl 1.4301 (V2A) | 0,60 bis 0,90 (typisch 0,70 bis 0,85) | 4,8 bis 7,2 mm | Streuung je nach Charge |
| Edelstahl 1.4571 (V4A) | 0,60 bis 0,90 (typisch 0,70 bis 0,85) | 4,8 bis 7,2 mm | ähnlich V2A |
| Messing | 0,35 bis 0,50 | 2,8 bis 4,0 mm | stark legierungsabhängig |
| Aluminium | 0,30 bis 0,45 | 2,4 bis 3,6 mm | |
| Kupfer | 0,25 bis 0,45 | 2,0 bis 3,6 mm | geringste Bedämpfung |
Die Werte sind Richtwerte und unterscheiden sich je nach Sensorbauart und Hersteller. Verbindlich ist immer die Tabelle im jeweiligen Datenblatt.
Rechenbeispiel
Ein bündig einbaubarer M18-Sensor hat einen Nennschaltabstand von 8 mm. Erkannt werden soll ein Bauteil aus Edelstahl 1.4301, für den das Datenblatt einen Reduktionsfaktor von 0,75 angibt.
- Schaltabstand auf Edelstahl: 8 mm x 0,75 = 6,0 mm
- Gesicherter Schaltabstand: 6,0 mm x 0,81 = 4,86 mm
Aus 8 mm im Katalog werden also rund 4,8 mm, mit denen sich sicher konstruieren lässt. Wer den Sensor auf 6 mm Abstand montiert, arbeitet bereits im Toleranzbereich und riskiert Aussetzer bei Temperaturschwankungen.
Die FAQ erklärt, warum ein induktiver Sensor bei Edelstahl später schaltet als im Datenblatt.
Bündig oder nicht bündig montieren
Bündig einbaubare Sensoren sind seitlich abgeschirmt und dürfen vollständig in Metall eingelassen werden. Vor der aktiven Fläche muss ein metallfreier Bereich bleiben, üblicherweise in der Größenordnung des dreifachen Nennschaltabstands.
Nicht bündig einbaubare Sensoren erreichen bei gleicher Baugröße etwa den anderthalb- bis doppelten Schaltabstand. Dafür benötigen sie rund um die aktive Fläche einen metallfreien Kragen. Wird ein solcher Sensor doch bündig eingebaut, dämpft der Halter das Feld dauerhaft und der Sensor schaltet im schlechtesten Fall gar nicht mehr frei.
Werden mehrere Sensoren nebeneinander oder gegenüber montiert, können sie sich gegenseitig beeinflussen. Die erforderlichen Mindestabstände stehen im Datenblatt und sollten eingehalten werden, auch wenn der Bauraum knapp ist.
Die FAQ erklärt, was bündig und nicht bündig bei induktiven Sensoren bedeutet.
Faktor-1-Sensoren: wann sie sich lohnen
Faktor-1-Sensoren werten das Feld anders aus und erreichen auf allen gängigen Metallen nahezu denselben Schaltabstand. Der Reduktionsfaktor entfällt damit praktisch.
Sinnvoll sind sie überall dort, wo unterschiedliche Werkstoffe an derselben Position erkannt werden müssen, etwa bei wechselnden Werkstückträgern aus Stahl und Aluminium, in der Robotik oder in flexiblen Montageanlagen. Sie kosten mehr als Standardsensoren. Ihr Feld ist weniger stark gebündelt, weshalb größere Freiräume und Mindestabstände zu benachbarten Sensoren einzuhalten sind. In Schweiß- und Magnetfeldumgebungen sind sie dagegen die robustere Wahl, weil ihnen der Ferritkern fehlt, der bei Standardsensoren in die Sättigung geht. Für eine Applikation mit gleichbleibendem Werkstoff ist der Standardsensor meist die wirtschaftlichere Wahl.
Fünf Fehlerquellen aus der Praxis
Temperaturdrift. Über den vollen zulässigen Temperaturbereich verschiebt sich der Schaltpunkt. In Anlagen, die kalt anfahren und heiß laufen, ist das die häufigste Ursache für sporadische Aussetzer.
Dünne Objekte. Bei ferromagnetischem Stahl wirkt sich eine Materialstärke unterhalb der 1 mm dicken Normmessplatte kaum aus, weil die Wirbelströme ohnehin nur in einer dünnen Randschicht fließen. Bei Nichteisenmetallen kann der Schaltabstand dagegen vom Tabellenwert abweichen: Bei Folien und metallisierten Schichten liegt er teils deutlich darüber. In beiden Fällen gilt, am realen Objekt zu prüfen statt den Tabellenwert anzusetzen.
Beschichtungen und Lack. Nichtmetallische Schichten werden zwar durchdrungen, wirken aber wie ein zusätzlicher Luftspalt. Bei Pulverbeschichtungen von mehreren Zehntelmillimetern ist das bereits relevant.
Seitliche Anfahrt. Fährt das Objekt quer an der aktiven Fläche vorbei statt frontal darauf zu, verschiebt sich der Schaltpunkt und die Hysterese wirkt sich stärker aus. Die Datenblattwerte gelten für frontale Annäherung.
Zu kleines Messobjekt. Ist das Bauteil kleiner als die Normmessplatte, sinkt der Schaltabstand zusätzlich. Bei kleinen Bauteilen lohnt der Blick auf Sensoren mit kleinerer aktiver Fläche.
Den passenden Sensor auswählen
Für die Auslegung brauchen Sie vier Angaben: Werkstoff des Objekts, dessen Größe, den mechanisch möglichen Abstand und den Temperaturbereich am Einbauort. Daraus ergibt sich der erforderliche gesicherte Schaltabstand, und daraus die Baugröße.
Reicht der Bauraum für die nötige Baugröße nicht aus, sind ein nicht bündig einbaubarer Sensor, ein Faktor-1-Sensor oder ein anderes Messprinzip die Alternativen. Für nichtmetallische Objekte kommen kapazitive Sensoren infrage, für große Abstände optische Sensoren. Eine Übersicht aller Bauformen finden Sie bei den induktiven Sensoren sowie in unserem Überblick zu den Sensortypen.
Weitere Kennwerte wie Hysterese, Wiederholgenauigkeit und Schutzart sind im Glossar erklärt. Wie Sie in mehreren Schritten zur passenden Bauform kommen, zeigt der Ratgeber zur Sensor-Auswahl.
Weiterführende Antworten
Kurze Antworten zu Schaltabstand, Reduktionsfaktor und Montage stehen gesammelt in der FAQ, jeweils mit Verweis auf den ausführlichen Artikel. Dort finden sich auch die Antworten zu Technik und Anschluss in der FAQ.