Sensor für alle Fälle

Analogsensoren - Manche Applikationen lassen sich erst durch Sensoren mit analogem Ausgangssignal lösen. Mit intelligenter Auswertung können Analogsensoren selbst deutlich teurere Messgeräte ersetzen.

10. Mai 2007

Es gibt Innovationen, die mit großem Werbeaufwand auf den Markt geworfen werden, aber schon bald danach wieder vergessen sind. Und es gibt solche, die zwar nur langsam in das Bewusstsein vieler Anwender dringen, dafür aber nachhaltig präsent sind, weil sie eine große Bandbreite möglicher Anwendungen erschließen. Eine solche Innovation hat jetzt der Sensorikspezialist Turck aus Mülheim an der Ruhr vorgestellt: Einen analog arbeitenden Sensor, der nicht nur die Anwesenheit eines Metalls erkennen kann, sondern gleichzeitig auch dessen Zusammensetzung - und zwar unabhängig vom Abstand zwischen Sensor und Objekt.

Altbekanntes Messprinzip

Grundlage des neuen Sensors ist das Wirbelstromprinzip, nach dem auch induktive Näherungsschalter arbeiten: Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld oder bewegt sich ein solcher Leiter in einem Magnetfeld, dann wird in diesem Leiter eine Spannung induziert, die einen Wirbelstrom erzeugt. Dieser erzeugt seinerseits ein dem ursprünglichen Magnetfeld entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld, das sich dem erregenden Feld überlagert. Als Konsequenz ändert sich die Impedanz der Spule, was am Ausgang des Sensors als Änderung der Spannung messbar ist. Wirbelstromsensoren reagieren auf verschiedene Einflussgrößen wie etwa die elektrische Leitfähigkeit oder die magnetische Permeabilität des gemessenen Werkstoffs. Dementsprechend ändert sich die Empfindlichkeit eines induktiven Näherungsschalters abhängig vom Material, das erfasst wird. Das Messergebnis muss daher mit einem Werkstofffaktor - dem sogenannten Reduktionsfaktor - kompensiert werden. Den maximalen Schaltabstand ermöglicht dabei Baustahl St37, bei anderen Metallen werden die Schaltabstände kleiner. Der Reduktionsfaktor gibt an, auf welchen Bruchteil sich der Schaltabstand bei Verwendung anderer Metalle reduziert. Typische Werte für den Reduktionsfaktor liegen bei Messing zwischen 0,35 und 0,5, bei Kupfer zwischen 0,25 und 0,45, bei Aluminium zwischen 0,35 und 0,50 und bei Edelstahl im Bereich von 0,6 bis 1.

Zwei unabhängige Messgrößen

Damit eignet sich die Wirbelstromsensorik nicht nur ideal zum berührungslosen Erfassen von Abständen, sondern sie kann auch Materialeigenschaften des Messobjektes erkennen, wenn geeignete Auswertungsverfahren verwendet werden. Ein Problem bei diesem Ansatz ist jedoch, dass für eine Materialbestimmung der Abstand zwischen Objekt und Sensor exakt definiert sein muss. Für eine abstandsunabhängige Messung unterschiedlicher Metalle, wie sie für die meisten Applikationen in der Praxis erforderlich ist, musste also eine Lösung gefunden werden, mit der sich beide Größen unabhängig voneinander bestimmen lassen.

Gelöst hat Turck diese Aufgabe durch die Ermittlung von zwei linear unabhängigen Messgrößen, die der Metallunterscheidungssensor in Form eines Spannungssignals für die Spulengüte sowie eines Phasensignals liefert. Werden beide Signale mathematisch miteinander verknüpft, ergibt sich eine Lösung, die entweder unabhängig vom Material eine Abstandsmessung ermöglicht - also ein Faktor-1-Sensor - oder unabhängig vom Abstand zwischen Sensor und Messobjekt eine Materialbestimmung erlaubt.

Zahlreiche Einsatzfelder

Damit ermöglicht der Sensor zahlreiche Applikationen, die sich bislang nur mit deutlich teureren Messverfahren realisieren ließen. In Getränkedosenrücknahmeautomaten beispielsweise kann der neue Sensor Weißblechdosen von Aluminiumdosen unterscheiden und den Weg der Dose in den jeweils richtigen Sammelbehälter vorgeben. Besonders wichtig ist hier auch die Fähigkeit der abstandsunabhängigen Metallerkennung, weil die Dosen häufig deformiert in die Rücknahmeautomaten eingeführt werden und deshalb der Abstand zwischen Sensor und Dosenrand meist schwankt. Bislang wird für diese Applikation häufig ein Hall-Sensor mit vorgeschaltetem Magneten verwendet. Derartige Sensoren unterscheiden allerdings nicht, ob die Dose aus Weißblech oder aus einem anderen ferromagnetischen Material besteht, und erkennen zudem Aluminiumdosen überhaupt nicht.

Eine weitere Applikation, an der die Turck-Entwickler gemeinsam mit einem Automatenhersteller bereits arbeiten, ist die Erkennung von Falschmünzen in Münzsortierautomaten, in denen dazu bisher ein analoger Standardsensor zum Einsatz kam. Die zunehmend optimierte Zusammensetzung der gefälschten Münzen erschwert es jedoch immer mehr, die Fälschungen zu erkennen. Der neue Sensor liefert dagegen genaue Informationen über die Leitfähigkeit einer Münze und ermöglicht so eine genaue Aussage über das verwendete Material.

Auch in der Inline-Qualitätskontrolle leistet der Sensor gute Dienste. So unterscheidet er nicht nur gehärtetes von nicht gehärtetem Material, sondern kann auch unterschiedliche Edelstahllegierungen erkennen. Bislang lässt sich diese Art der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nur mit aufwendigen und teuren Messsystemen realisieren.

Ein Beispiel aus der Schwerindustrie bietet Firma SMS Meer in Mönchengladbach. Das Unternehmen entwickelt und baut Anlagen und Maschinen für die Stahl-, Kupfer- und Aluminiumindustrie und liefert unter anderem schlüsselfertige Rohrwerke, Walzwerke und Gesenkschmiedeanlagen. Zum Einsatz kommen die neuen Sensoren in den Kaltpilgerwalzwerken des Unternehmens, wo sie das produzierte Rohr von dem Aufnahmedorn unterscheiden und dabei selbst bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten das Material und den Durchmesser des Rohres erkennen.

Dies war bei dem bisher eingesetzten Messsystem nicht der Fall. Das größte Manko der alten Lösung war neben der nicht vorhandenen Möglichkeit der Durchmesserbestimmung die fehlende Flexibilität, erinnert sich Jan Asbeck, Projektingenieur bei SMS Meer und erklärt, welchen Fortschritt die neuen Sensoren gebracht haben: »Hier kann ich die Auswertung selbst vornehmen und gegebenenfalls auch an die jeweilige Situation anpassen.«

Maßgeschneiderte Lösungen

Zwar bot der neue Sensor am Anfang noch nicht alle Möglichkeiten, die eigentlich notwendig waren, erzählt Asbeck, doch dieses Problem konnten die Anlagenbauer gemeinsam mit den Turck-Entwicklern schnell ändern, und der Projektingenieur ist sicher: »Heute haben wir eine Lösung, deren Flexibilität unübertroffen ist und die uns im Markt schon eindeutig Pluspunkte bringt.« Wie diese Lösung zeigt, ist der neue Sensor gewiss keine Plug-and-Play-Lösung. Stattdessen bieten die Sensorikspezialisten von der Ruhr auf Wunsch individuelle Lösungen, die exakt auf die jeweilige Anwendung maßgeschneidert sind. Neue Chancen bietet in diesem Zusammenhang das kürzlich vorgestellte programmierbare Gateway für das I/O-System BL 67. Im Paket mit dem neuen Sensor kann diese Kompakt- SPS die Auswertung der Sensorsignale übernehmen, so dass Turck künftig auch bereits vorkonfektionierte Lösungen mit fertigen Softwarebausteinen für bestimmte Applikationen anbieten kann.

Holger Spies ,

Hans Turck GmbH & Co. KG/bt

FAKTEN

Turck zählt zu den global führenden Unternehmensgruppen auf dem Sektor der Industrieautomation. Mit mehr als 2.500 Mitarbeitern in 25 Ländern sowie Vertretungen in weiteren 60 Staaten erzielt der Sensor-, Feldbus- und Interfacespezialist einen Umsatz von fast 300 Millionen Euro. Das Familienunternehmen bietet mit mehr als 13.000 Produkten aus den Bereichen Sensor-, Feldbus- und Interfacetechnik effiziente Produktlösungen für die Fertigungs- und Prozessautomation. Zu den innovativen Lösungen, mit denen Turck immer wieder neue Maßstäbe setzen konnte, zählen neben dem RFID-Komplettpaket BL ident unter anderem Faktor1- Sensoren sowie kompakte und modulare Feldbus- und Remote-I/O-Systeme, auch für den Ex-Bereich.

Erschienen in Ausgabe: 03/2007