Sensoren prägen die Messtechnik

Basis aller Kamera gestützten Prüfsysteme in der Industrie sind die in den Kameras enthaltenen CCD-Sensoren. Erreichen Sie eine entsprechende Auflösung des Bildes, sind hochgenaue Prüfungen möglich. So schafft ein Inline-Messsystem die Vermessung von Objekten ¿ auch in kontinuierlichen Prozessen ¿ mit Toleranzen kleiner 0,05 Millimeter. Solche Systeme eignen sich, ergänzt um eine entsprechende Auswerteeinheit, beispielsweise zur Online-Profilvermessung an Extrusionsanlagen. Statt aufwändiger manueller Stichproben, die im Zweifelsfall im Nachhinein eine ganze Charge zu Schrott bestimmt, bietet diese Technologie bei Abweichungen ständige automatische oder manuelle Eingriffsmöglichkeiten in den Prozess. Tendieren bestimmte Messwerte dazu, den definierten Toleranzbereich zu verlassen, können Regelkreise angestoßen werden, die rechtzeitig entsprechende Justierungen im Prozess bewirken. Und da die Messdaten bereits vorliegen, erübrigen sich auch die manuelle Aufbereitung und Archivierung von Stichprobendaten. Die automatisch ermittelten Werte lassen sich in verschiedenen Systemen der Qualitätssicherung weiter verarbeiten und speichern.

Möglich werden zuverlässige Messungen an kontrastarmen Objekten und in ungünstigen industriellen Produktionsumgebungen durch hohe Auflösungen. Grauwertübergänge und Konturen von Messobjekt und Hintergrund werden so zuverlässig erkannt.

Und machmal werden Kameras für Zwecke eingesetzt, mit denen die menschlichen ¿Sensoren¿ überfordert sind. Ein Beispiel bilden Nicht-Infrarot-Kameras, kurz NIR-Kameras genannt. Im Gegensatz zu Infrarot-Systemen ¿sehen¿ sie im Spektralbereich zwischen 0,9 und 1,7 mm ¿ und damit knapp oberhalb des menschlichen Sehvermögens. Was kann eine solche Kamera? Zimmerwarme Objekte werden nur wahrgenommen, wenn sie Infrarot-Strahlung aus der Umgebung reflektieren. Allerdings ist das häufig eine Reflektion tieferer Schichten, die Kamera sieht also durch diese Schichten hindurch. Beispielsweise reflektieren die menschlichen Haare kaum, sie erscheinen weiß. Tipp-Ex und viele Farben erscheinen transparent, die Kamera sieht den Untergrund. Damit ergeben sich für Kriminalisten und Kunstsachverständige interessante Prüfmöglichkeiten. Von dieser Technologie profitiert auch die Luft- und Raumfahrt, beispielsweise beim Aufspüren von Flugobjekten. Auf dem NIR-Bild erscheint der Himmel auch bei Sonneneinstrahlung nahezu schwarz, da in diesem Wellenbereich kaum eine Streuung oder Absorption stattfindet. Jedes Objekt wird vor diesem Hintergrund deutlich sichtbar.
Interessanter für den industriellen Einsatz sind je-doch andere Fähigkeiten und Einsatzmöglichkeiten: Wasserstoff-, Methanol- und andere Alkoholfeuer erzeugen nicht nur ausgesprochen hohe Temperaturen. Hauptgefahrenpunkt ist deren Unsichtbarkeit. Eine NIR-Kamera macht solche Feuer auf einfache Weise sichtbar.
Üblicherweise arbeiten Sensoren jedoch in höheren Bereichen des Infrarotspektrums. Sie dienen in erster Linie zur Temperaturüberwachung. Dabei kommt es auf möglichst breite Messbreiche, geringe Ansprechzeiten und kleinen Einbauraum an. Mit nur 14 Millimetern Durchmesser bei 28 Millimetern Länge des Messkopfes lassen sich, je nach Optik, Messungen zwischen ¿ 40 und 600 Grad Celsius realisieren.
Besonders interessant an diesen Sensoren ist die Vernetzbarkeit. Die abgesetzte, zum Sensor gehörende Elektronikbox erlaubt die Kommunikation per Standardschnittstellen. Über die RS485 können bis zu 32 Sensoren vernetzt werden, um beispielsweise längere Messstrecken mit geringem Aufwand zu realisieren.

Datenübertragung near und wide
Der Datenkommunikation kommt vor allem bei Online-Messungen hohe Bedeutung zu. Geschwindigkeit und Störfestigkeit sind in industriellen Umgebungen notwendig. Dazu bietet sich verstärkt die Kommunikation ¿per Licht¿ an. Opto-elektronische Geber- und Detektionselemente benötigen nur geringe Leistung und minimalen Einbauraum. Damit lassen sich besonders klein bauende, zuverlässige Sensorik-Lösungen zusammen stellen. Automatische Zählsysteme, Papierdetektoren in Druckern und Kopierern oder in PC-Bediengeräten sind Beispiele dafür.

Signale der Sensoren müssen jedoch nicht nur in den Messeinheiten selbst oder bis zu einem Anzeigeinstrument übertragen werden. Zunehmend ist die Fernübertragung zu externen Überwachungsstellen in anderen Betriebsteilen oder an anderen Standorte notwendig. Vor allem bei wechselnden Orten des Signalempfängers, beispielsweise bei Mitarbeitern der Wartung, oder des Signalgebers, wie bei mobilen Anlagen der Fall, bietet sich die Funkübertragung an. Direkte Übertragungen von Daten aus RS323 und RS485-Schnittstellen sind mit Raten von 19 200 Baud möglich. Genehmigungsfreie Sendeleistungen von 10 Milliwatt überbrücken üblicherweise Strecken von 100 bis 1000 Meter. Bei ¿ genehmigungspflichtigen ¿ höheren Leistungen sind bis zu 20 Kilometer Übertragungsstrecke realistisch. Da die Empfänger jedoch wiederum als Repeater arbeiten können, sind auch größere Strecken realisierbar. Es lassen sich zudem Netzwerke aufbauen.
Räumlich nahezu unbegrenzt ist das Übertragen von Messsignalen und -werten bei Einsatz des Handys als Medium. Grenzwertüberschreitungen und Statusmeldungen können per SMS im Klartext oder per Mail übertragen werden. Eine Software überprüft die per Feldbus oder analogem Signal einlaufenden Daten auf Grenzwert-Überschreitungen, generiert bei Bedarf eine SMS-Meldung und verschickt sie. Alternativ ist die Ausgabe einer Mail möglich. Alle Meldungen werden tabellarisch gelistet, autorisierte Benutzer können sie quittieren. Eine Log-Datei speichert die Meldungen und protokolliert alle Aktionen. Damit ist die lückenlose Überwachung und Dokumentation gewährleistet.

Mit Sensoren zum Kern der Prozesse
Eine der am weitesten verbreiteten Sensoranwendungen ist die Druckbestimmung. Das Spektrum reicht von der Überwachung von Hydrauliksystemen über den Einsatz in Kunststoff-Spritzgießwerkzeugen bis zum Einbau in den Zylinderkopf von Dieselmotoren, um frühzeitig Hinweise auf mögliche Schäden zu bekommen. Entscheidend für den Einsatz des Sensors sind Temperatur und chemische Eigenschaften des Mediums, mit denen der Sensor in Berührung kommt.

Mittlerweile stehen Sensoren auch für außergewöhnliche Ansprüche zur Verfügung. So messen besonders robuste Hochtemperatur-Sensoren auch bei Temperaturen von 300 Grad Celsius zuverlässig Drücke zwischen 100 und 5000 bar. Dabei erlaubt die Eigenfrequenz neben Messungen statischer Drücke auch das Erfassen von Druckschwankungen. Interessant in verschiedenen Anwendungen ist die Möglichkeit, neben dem Druck auch ein Temperatursignal auszugeben. Mit solchen Sensoren lassen sich Prozesse ¿bis in den Kern¿ beobachten, beispielsweise di- rekt bei der Extrusion von Kunststoffen oder in Hochdruckreaktoren.
Allerdings sind es nicht nur die hohen Drücke und Temperaturen, die auf Innovationsfähigkeit der Hersteller von Drucksensoren hindeuten. Geringe Toleranzen und Langzeitstabilität sowie das bereits erwähnte geringe Bauvolumen sind wichtige Kriterien. Zwischen 0 und 2 bar bringen Sensoren mit nur rund 1,3 Quadratzentimetern Fläche Messwerte mit geringen Toleranzen. Die präzise Temperaturkompensation soll auch anspruchsvollen Aufgaben genügen.
Ebenfalls einen Massenmarkt bilden Encoder, auch Drehgeber genannt. Diese Sensoren stehen heute in allen Leistungsklassen und Größen zur Verfügung. Auch hier ist das Bauvolumen häufig entscheidend für die Realisierbarkeit neuer Automatisierungslösungen. Vor allem die Robotertechnik verlangt weitere Miniaturisierungen, um in neue Anwendungen vorstoßen zu können. Wie weit das geht zeigt das Beispiel eines ursprünglich für die Finger einer Roboterhand entwickelten Encoders: Bei nur 7,5 Millimeter Durchmesser und 8 Millimeter Länge ist alles enthalten, was übliche Anwendungen benötigen. Der Geber liefert bis zu 500 Pulse pro Umdrehung, die Grenzfrequenz liegt bei 100 Kilohertz. Die kugelgelagerte Achse verträgt Belastungen von 2 Newton in radialer und 1 Newton in achsialer Richtung. Montiert wird er am zentralen Gewinde.

Ohne Sensoren kein Fortschritt?
Diese Frage beantworten die Hersteller sicher gern mit einem klaren ja, und das scheint gar nicht einmal so unberechtigt. Schließlich verlangen alle auch nur halbwegs automatisierten Abläufe Möglichkeiten zur Überwachung und (automatischen) Steuerung und Regelung. Die Daten müssen aber irgendwie erzeugt werden, und dazu sind eben entsprechende Sensoren notwendig. Gleiches gilt für Sicherheitseinrichtungen in immer komplexeren Abläufen. Sicherlich kann eine Berstscheibe in einer verfahrenstechnischen Anlage das Schlimmste verhüten, besser aber ist es, mit einem zuverlässigen Sensor und der Auswertelogik frühzeitig zu reagieren und die Anlage entsprechend zu regeln oder herunter zu fahren.

¿Ohne Sensoren kein Fortschritt¿ ¿ das ist sicherlich so nicht richtig. Richtig ist aber auch, dass ohne neue Sensortechnologien Fortschritte deutlich schwieriger zu realisieren sind.

Meinholf Droege