Die Automatisierungstechnik macht heute vor keinem Bereich mehr Halt. Zu dieser Entwicklung trägt die Sensortechnik wesentlich bei. Die hohe Produktivität im Maschinen- oder Automobilbau wäre ohne ausgereifte Sensorik undenkbar.
Dietrich Homburg und Ellen-Christine Reiff sind Fachjournalisten in Stutensee
Die Mikrosystemtechnik als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts hinterlässt auch in der Sensorik ihre Spuren und wird in Zukunft die Automatisierung noch stärker beeinflussen. Gleichzeitig sollen sich Sensoren unterschiedlichen Aufgabenstellungen flexibel anpassen. Und schließlich gewinnt auch die Informationstechnik im indus- triellen Bereich an Bedeutung. Daten müssen nicht nur erfasst, sondern auch schnell und störsicher übertragen und verarbeitet werden. Leichte Handhabung ist dabei obligatorisch, wenn der Anwender von dieser Entwicklung profitieren soll.
Die Miniaturisierung von Automatisierungskomponenten im Zuge der Mikrosystemstechnik wirkt sich auch auf die Sensortechnik aus. Die Sensoren werden kleiner und leichter, gleichzeitig aber auch preiswerter und zuverlässiger. Außerdem sinkt der Energieverbrauch. Bei optischen Sensoren beispielsweise beeindruckt der Leistungsumfang, der sich bereits heute in den Winzlingen unterbringen lässt und oftmals neue Anwendungsbereiche erschließt. Eine neue Einweglichtschranke der Turck GmbH aus Mülheim an der Ruhr beispielsweise hat trotz integriertem Verstärker lediglich eine Einbautiefe von 4,5 mm. Das Modell kann auch dort zum Einsatz kommen, wo bisher mit Lichtwellenleitern oder Geräten mit externem Verstärker gearbeitet werden musste. Bei einer Reichweite bis 1,2 m ist die Funktionsreserve auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen ausreichend groß.
Sensoren dringen immer häufiger in artfremde Bereiche vor. Die Grenzen zwischen Sensor und Mess-System verschwimmen. Da die Preise für CCD-Zeilen (Charge Coupled Device) in der letzten Zeit rapide gesunken sind, hat diese Technik auch die Optosensorik erobert. Das Resultat sind preisgünstige optische Messgeräte, die für viele Anwendungsbereiche geeignt sind. Im Lieferprogramm der Leuze GmbH, Owen/Teck, finden sich schon heute zwei Beispiele: Parametrierbare Gabellichtschranken mit CCD-Zeile können einfach der jeweiligen Applikation angepasst werden – etwa bei der Kantensteuerung von Papier-, Stoff- und Kunststoffbahnen oder beim Erkennen von Durchmessern. Aber auch in der Qualitätssicherung lässt sich das Produkt der Schwaben leicht den Gegebenheiten anpassen.
Ebenfalls mit CCD-Zeilen arbeitet ein optischer Entfernungssensor, der Distanzen bis 2000 mm berührungslos messen kann. Er hat sich mittlerweile im rauhen Industrieeinsatz bewährt und liefert auch bei schlechten Sichtverhältnissen zuverlässige Messergebnisse. Sein breitgefächertes Anwendungsspektrum reicht von Positionieraufgaben über die Stapelhöhenkontrolle und Konturenbestimmung bis hin zur Überwachung von Füllständen oder Volumenmessungen.
Interessante Impulse für die Sensortechnik ergeben sich aus bekannten physikalischen Prinzipien, die für neue Aufgabenbereiche umgesetzt wurden. Um die prinzipbedingten Verschleißerscheinungen bei den preiswerten potentiometrischen Wegaufnehmer zu umgehen, hat die Novotechnik Stiftung & Co. in Ostfildern ein neues, kontaktloses Sensorsystem entwickelt, das induktiv arbeitet. Primär- und Sekundärspule sind mit je einer Windung auf einem Träger angeordnet und von einem beweglichen Ferrit mit Luftspalt umschlossen. Beim Verschieben des Ferrits wird eine Potentialfront mitbewegt. Nach dem Induktionsgesetz wird in der Sekundärseite eine Spannung erzeugt. Ein in den Sekundärkreis eingefügter, homogener Siebdruckwiderstand ermöglicht es, die ortsabhängige Potentialfront über den Spannungsabfall zu erfassen. Eine Auswertelektronik erzeugt daraus ein analoges oder digitales Ausgangssignal. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen, kann für translatorische Systeme einen Längenbereich von 10 bis 1000 mm abdecken und ist auch bei rotativen Anwendungen einsetzbar.
Auch bei Doppelbogenkontrollen, die in der grafischen Industrie unersetzlich geworden sind, macht man sich eine Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Messprinzipien zu Nutze: Neue, mit Ultraschall arbeitende Doppelbogenkontrollen liefern auch dort zuverlässige Ergebnisse, wo optische oder optisch-kapazitive Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Systeme, die zusätzlich mit einem kapazitiven Sensor arbeiten, können sogar Wellpappe oder luftdurchlässige Medien erkennen.
Aber auch in anderen Bereichen müssen Sensorsysteme flexibel auf unterschiedliche Anforderungen reagieren. Die Zahl der Sensoren, deren Parameter sich komfortabel per Teach-in-Funktion an die jeweilige Applikation anpassen lassen, wird in Zukunft noch weiter wachsen.Die Anpassungsfähigkeit moderner Systeme hat noch weitere Auswirkungen, die für den Anwender interessant sind – etwa bei Drehgebern. Die Ivo GmbH in Villingen-Schwenningen bietet beispielsweise getriebelose Multiturn-Absolutdrehgeber an, die sich ohne zusätzliche Koppelmodule direkt an alle gängigen Feldbus-Systeme anschließen wie Profibus-DP, Interbus-S, Suconet, Can-Open oder Devicenet. Dem Datenaustausch im Automatisierungsverbund steht damit nichts mehr im Wege.
Alle busfähigen Geber gibt es jetzt auch für die Hohlwellenmontage, was die Konstruktion und mechanische Installation erheblich vereinfacht und oftmals gänzlich neue Lösungsansätze erschließt. Die schlanken Drehgeber mit nur 75 mm Durchmesser werden direkt auf die Achse gesteckt und müssen lediglich mit Klemmring, Stift oder Schraube fixiert werden. Auch bei Anwendungen, die normalerweise keine Absolutwertgeber erfordern, lassen sich die Vorzüge des getriebelosen Rundenzählens nutzen. Hierfür bietet sich ein preiswerter elektronischer Umdrehungsgeber der Firma Ivo an. Typische Anwendungen gibt es beispielsweise bei Lüftungsanlagen oder der Steuerung von Ventilklappen und Rundstrickmaschinen. Also überall dort, wo die absolute Position ohne die große Auflösung eines Absolutwertgebers gefordert ist.
Der Trend zur Flexibilität und Anpassungsfähigkeit ist in allen Sensorikbereichen zu finden. Novotechnik beispielsweise entwickelt auf Basis ihrer Standard-Leitplastikpotentiometer ständig neue applikationsspezifische Lösungen. Die Beispiele reichen vom Einsatz im Kraftfahrzeugbereich als Lenkwinkelsensor über die Erfassung der Rotorstellung bei Windkraftanlagen bis hin zu Speziallösungen für die Raumfahrttechnik.
Auch die induktiven Sensoren der uprox-F1-Serie von Turck sind anpassungsfähig und flexibel: Der Schaltabstand der in vielen verschiedenen Bauformen erhältlichen Näherungsschalter ist bei allen Metallen gleich groß. Der Anwender profitiert davon: Von einem Materialwechsel bleiben die in der Fertigungslinie eingebauten Sensoren unberührt.
Ein weiterer Trend sind Systemlösungen. In Zukunft wird es nicht ausreichen, wenn der Hersteller nur einzelne Sensoren anbietet. Der Anwender darf mit der Technik nicht allein gelassen werden. Der Durchfluss-Spezialist Endress+Hauser GmbH, Weil am Rhein, liefert bereits heute mit seinem Proline-Tooling ein richtungsweisendes Beispiel. Zu den im Baukastensystem konzipierten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten der Promag-Serie gehört eine Software, mit dem der Nutzer auslegen, planen, parametrieren, verifizieren und warten kann. Das modulare Programm-Paket lässt sich um Datenbanken oder spezielle Testmodule ergänzen.
Auch Durchflussmessgeräte, die auf anderen physikalischen Prinzipien basieren, sind in dieses Prinzip eingebunden. Machen solche Ansätze Schule, wird wohl das Realität, was der Anwender sich im 21. Jahrhundert von der Sensorik erhofft: Leistungsfähige Technik, die einfach zu handhaben ist und individuelle Lösungen ermöglicht.
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