Integrierte Innovation

Sensorik

Induktivsensoren – Das induktive Wirkprinzip für Sensorik ist nicht unbedingt neu. Die kompakte Integration von Intelligenz eröffnet jedoch völlig neue Lösungsansätze für viele Aufgabenstellungen.

16. September 2014

Zu den vielseitigsten Sensortypen für den Einsatz in der Automatisierung zählen induktive Näherungsschalter. Diese verschleiß- und wartungsfreien Initiatoren erfassen metallische Objekte berührungslos über ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld und enthalten keine beweglichen Teile. Weitere Vorteile von Induktiv-Sensoren sind ihre standardisierten Bauformen sowie die weltweit kurzfristige Verfügbarkeit. Entsprechend lange haben sich Sensoren mit diesem physikalischen Wirkprinzip bereits in vielen Anwendungen bewährt.

Dass diese Technik dennoch zahlreiche Innovationsmöglichkeiten bietet, beweist der Sensorikspezialist Sick aus Waldkirch im Schwarzwald: Das Unternehmen integriert in seine Induktivsensoren einen selbst entwickelten ASIC-Chip, mit dem sich kurzfristige kundenspezifische Adaptionen ebenso einfach umsetzen lassen wie die Entwicklung neuer, applikationsspezifischer Produkte.

Um die Anzahl externer Komponenten auf ein Minimum zu reduzieren, wurden auf dem Chip zahlreiche Funktionen realisiert, die sich in konventioneller Bauweise nur sehr aufwendig umsetzen lassen. Hierzu gehören das universell programmierbare Sensor-Frontend, die hochauflösende Signalauswertung und die digitale Mehrbit-Verarbeitung für eine erhöhte Festigkeit gegen elektromagnetische Störeinflüsse. Weitere wichtige Funktionen sind die digitale Programmierung von Sensorparametern wie Schaltpunkt oder Hysterese, die nichtflüchtige Speicherung der Parameter in einem EEPROM sowie eine Ausgangsstufe mit integriertem Kurzschluss- und Überlastschutz.

Präzision auf engem Raum

Im Gegensatz zu diskret aufgebauten Induktivsensoren bietet die miniaturisierte Plattformtechnologie zugleich eine deutlich verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Ein Grund dafür sind die engen Fertigungstoleranzen. So werden handelsübliche, diskret aufgebaute Geräte in der Regel während des Fertigungsprozesses durch manuellen Abgleich per Potenziometer oder Lasertrimming eingestellt, mit dem Risiko, dass sich die eingestellten Werte beim Vergießen der Sensoren noch verändern können. Die Induktivsensoren von Sick dagegen werden erst nach dem kompletten Fertigungsprozess digital abgeglichen. Die Speicherung der Werte im Sick-ASIC gewährleistet dabei einen präzisen Schaltpunkt und eine hohe Reproduzierbarkeit der Werte über alle Produktionschargen hinweg. Die deutliche Verringerung der Bauteile im Sensor reduziert zusätzlich das Risiko von Ausfällen.

Zum Schutz der Elektronik vor Schocks und Vibrationen sowie zur Verhinderung von thermisch bedingter Feuchtigkeitsbildung im Gehäuse werden die Elektronik und die Kontaktpins im Inneren der induktiven Näherungsschalter mit einer elastischen Spezialmasse umspritzt, bevor das Gehäuse per Ultraschall verschweißt wird. Im Unterschied zu den verbreiteten aushärtenden Vergussmassen passt sich die wachsartige Substanz möglichen Temperaturschwankungen an und schützt die Bauteile auf diese Weise auch mechanisch.

Flexibler Einsatz

Ein weiterer Vorteil der ASIC-Technologie ist die Möglichkeit, ein modulares Baukastensystem anzuwenden, wie es zum Beispiel bei der Produktfamilie IME umgesetzt wird. Zudem lassen sich damit, ausgehend von den Basisversionen, spezifische Anforderungen, etwa hinsichtlich der Gehäuse, der Anschlusskabel oder der Anschlussstecker-Technik, auch kurzfristig umsetzen.

Die Möglichkeiten der ASIC-Technologie als Basis für die Entwicklung innovativer Produkte zeigt der induktive Impuls- und Beschleunigungswächter SAM. Der Sensor ist ausgelegt für sechs bis 12.000 Impulse pro Minute sowie für Beschleunigungen von 0,1 bis 2 Impulse pro Sekunde2 und ermöglicht es erstmals, Impulse zu zählen und zugleich Drehzahländerungen anhand der Beschleunigung früh zu erkennen.

Diagnose ohne Verzug

Im Unterschied zu herkömmlichen Impulswächtern erkennen die Sensoren die Drehzahländerungen durch die Überwachung einer positiven bzw. negativen Beschleunigung ohne Zeitverzug, also nicht erst beim Erreichen eines Grenzwerts. Diese Sekunden sind oft wertvoll, weil sie es ermöglichen, prozesskritische Zustände wie Schlupf oder Überlast in einem Antriebsstrang, den Riss von Bahnen-, Band- und Folienmaterial oder den Bruch einer Welle sofort und drehzahlunabhängig zu melden. Anpassbare Drehzahlgrenzen gewährleisten dabei ein robustes Ausgangssignal. Eine intelligente Anlaufüberbrückung stellt sicher, dass Zeitverzögerungen beim Maschinenanlauf automatisch unterdrückt werden, bis die Betriebsdrehzahl erreicht ist. Hinzu kommt, dass im Fall von durch einen Formatwechsel bedingten Geschwindigkeitsänderungen an der Maschine keine Grenzwerte angepasst werden müssen.

Bei bündigem Einbau erlauben die Sensoren Schaltabstände bis zu 10 Millimeter. Die Konfiguration erfolgt dabei präzise und einfach am Rechner. In der Version mit IO-Link-Schnittstelle ermöglichen die SAM-Impuls- und Beschleunigungswächter über ihre eigentliche Sensorfunktion hinaus zudem beispielsweise ein zeitnahes Monitoring des aktuellen Maschinenzustands und der laufenden Prozessqualität, eine Parameter-Übernahme aus der Maschinensteuerung oder eine umfassende Visualisierung und Ferndiagnose.

Auf einen Blick

- Die Sick AG mit Sitz in Waldkirch ist ein weltweit führender Hersteller von Sensoren und Sensorlösungen für industrielle Anwendungen.

- Das 1946 gegründete Unternehmen ist mit mehr als 50 Tochtergesellschaften und Beteiligungen sowie zahlreichen Vertretungen weltweit vertreten.

- Im abgelaufenen Geschäftsjahr 2013 beschäftigte die Firmengruppe weltweit mehr als 6.500 Mitarbeiter und erzielte einen Konzernumsatz von mehr als einer Milliarde Euro.

Erschienen in Ausgabe: 07/2014