Speziallösungen erfüllen jeden Anwenderwunsch

Andreas Zeiff und Dietrich Homburg sind Mitarbeiter beim Redaktionsbüro Stutensee

Die Sensortechnik hat inzwischen ein so hohes Maß an Flexibilität erreicht, dass zunehmend spezielle Forderungen der Anwender die Entwicklungsrichtung vorgeben. Der allgemeine Trend tritt zugunsten spezieller Aufgaben in den Hintergrund. Auch im Reich der Sensorik nähert sich die technische Entwicklung der natürlichen an: Sensoren besetzen zunehmend ökologische Nischen, an die bis vor kurzem kaum einer dachte.

Wenn es um die Füllstandsmessung in der Pharma- und Lebensmittelindustrie geht, werden besondere Anforderungen an die Sensorik gestellt. Die Hersteller in dieser Branche sind sehr empfindlich und erwarten vor allem, dass der Sensor keine Brutstätte für Keime wird.

Füllstandsmesser nach dem Stimmgabel- oder Schwimmerprinzip werden im Tank montiert und kommen mit dem Medium in Berührung. Einbauten und Rohrstutzen bilden Nischen, die sich nur schwer reinigen lassen. Bei Sensoren, die von außen durch die Tankwand den Füllstand erfassen können, wird das vermieden. Kapazitive Sensoren bieten diese Voraussetzung, eignen sich aber nicht für die im Lebensmittelbereich weit verbreiteten Edelstahlbehälter.

Für solche Einsatzfälle hat die Turck GmbH, Mülheim, jetzt die neue Sensorfamilie Levelprox entwickelt (Halle 9, Stand A36). Über die Laufzeit eines kurzen Ultraschallimpulses wird der Flüssigkeitsstand bestimmt. Gemessen wird das Reflexionsverhalten bei unterschiedlichem Flüssigkeitsstand am Einkoppelpunkt des Sensors. Mit der verbreiteten Tri-Clamp-Verbindung wird der Sensor an einen außen am Behälter angeschweißten oder angeklebten Clamp-Stutzen befestigt. Beliebig ausgerichtet fixiert ein Spannring den Füllstandsgeber. Der federnd gelagerte Schallwandlerkopf gewährleistet nach der Montage immer die richtige Andruckkraft auf die Behälterwand. Ein langzeitstabiles Silikon-Koppelgel überträgt die Ultraschallimpulse auf die Tankwand. Um bei unterschiedlichen Wandmaterialien, Behältergeometrien und Füllgütern richtig zu messen, muß der Sensor lernen, wie der Behälter „klingt“. Über einen Teach-in-Taster wird der Sensor schnell auf die entsprechenden Schaltpunkte eingestellt. Das Gerät weiß dann, wann das Behältnis voll oder leer ist.

Einen großen Entwicklungssprung hinsichtlich Präzision und Baugrösse hat der neue analog induktive Abstandssensor von der Balluff GmbH, Neuhausen, hinter sich (Halle 9, Stand F53). Der komplette Sensor ist mit integrierter Elektronik nur 30 mm lang bei 6,5 mm Durchmesser. Dabei beträgt der Messbereich aber stattliche 0,5 bis 2 mm. Über eine patentierte Oszillatorschaltung wird die Kennlinie linearisiert. So ergibt sich eine Reproduzierbarkeit von typisch 1 µm. Die Funktion wird über ein integriertes Temperatur-Kompensationsverfahren zwischen 10 und 60 °C garantiert. Die integrierte Auswertelektronik spart dem Anwender nicht nur Platz im Schaltschrank und zusätzlichen Montageaufwand. Dank einer erhöhten Störunempfindlichkeit bei der Signalübertragung werden nur noch ausgewertete störfeste Signale zum Schaltschrank übertragen. Gleichzeitig verkürzen sich durch die Miniaturisierung die Zeitkonstanten. Grenzfrequenzen bis zu 1 kHz für hochdynamische Anwendungen sind nach Angaben des Herstellers möglich. Mit Schutzart IP 67 kann der Winzling dort eingesetzt werden, wo kleine und leichte Sensoren gefragt sind. Robotik und Handhabungstechnik profitieren von der geringen Masse, dynamische Zahnradmessung oder Werkzeugspindelüberwachung von der geringen Größe des Sensors.

Ein verbreitetes Entfernungsmessprinzip ist die optische Triangulation. Die Lasertriangulation benötigt dabei nur einen winzigen Messpunkt und ist weitgehend unabhängig von der zu messenden Objektoberfläche. Das ist Stand der Technik. Eine verbesserte Auflösung bietet das CCD-Prinzip (charge coupled device), das die Baumer Electric GmbH, Friedberg, bei ihren Triangulationssensoren verwendet (Halle 9, Stand A32). Die technische Grundlage bildet eine in Reihe nebeneinander liegender Dioden. Fällt Licht auf die Dioden, wird ein Signal erzeugt. Dabei kommt es weniger auf die absolute Lichtmenge an, als vielmehr auf ihre Verteilung über die aktive Sensorfläche. Das auftreffende Licht wird synchron durch eine Vielzahl von Pixel erfasst. Die sequenziell ausgelesenen Pixelwerte wertet dann ein spezieller Controller aus. Mit dieser Technik bestimmt der Sensor die genaue Position des Maximalwertes auch dann, wenn diese in der Mitte zwischen zwei Dioden liegt.

Gleichzeitig übernimmt der Controller auch die Linearisierung der Rohdaten. Dazu wird nach dem Ende des Fertigungsprozesses eine Look-up-Tabelle durch praktische Messung der produktspezifischen Kennline erstellt und abgespeichert. Alle Bauteil- und Fertigungstoleranzen fließen mit ein. Die Signalausgabe ist damit wirklich proportional zur Entfernung. Selbst Materialien mit nur 3 % Reflexion lassen sich zuverlässig vermessen. Bei der Formel 1 wird so beispielsweise über drei Laser-Sensoren der Abstand des Chassis zur Asphaltoberfläche exakt ermittelt und für die Fahrwerksabstimmung genutzt.

Kameras für die Bildverarbeitung gibt es als Matrix- und Zeilenkamera. Die Matrixversion nimmt flächige Einzelbilder wie herkömmliche Kameras auf. Dies ist bei bewegten Objekten nicht vorteilhaft, da Informationen zwischen den Einzelbildern verlorengehen können. Zeilenweises Abtasten eines bewegten Objektes dagegen liefert sozusagen eine endlose Bildaufnahme.

Die neue Zeilenkamerafamilie Piranha 2 der Stemmer Imaging GmbH, Puchheim, bietet eine Auflösung von 1024 bis 8192 Pixel bei Pixelkantenlängen von 7 bis 10 µm. Zeilenfrequenzen bis 36 kHz bei 4096 Bildpunkten sind ebenso möglich wie Datenraten von 160 MHz über vier Kanäle. Korrekturalgorithmen gleichen inhomogene Beleuchtungen oder Objektiv-Vignettierung aus. So können auch schwierige Aufgaben unter schlechten Lichtverhältnissen fehlerfrei bewältigt werden.