28.10.2019

Verschmutzungsresistenter Einsatz optischer Sensoren

Die Durchblicker

Im Bereich der optischen Sensoren nehmen sogenannte Hochleistungslichtschranken sicherlich eine Sonderstellung ein. Die Geräte eignen sich in Kombination mit verschiedenen Verstärkern insbesondere für den Einsatz in Umgebungen mit extrem hoher Schmutz- und Staubbelastung. Doch solche Lichtschranken können noch weitaus mehr.


Abb. 1: Klassische Einsatzgebiete von Hochleistungslichtschranken sind die Holzindustrie, Außentorsteuerungen und Autowaschstraßen.
Bild: IPF Electronic GmbH

Optische Sensoren lassen sich in Einwegsysteme, Reflexionssysteme und tastende Systeme einteilen . Hochleistungslichtschranken gehören zu den Einwegsystemen, wobei es sich bei diesen Lösungen um dreiteilige Systeme bestehend aus Sender, Empfänger und einem Verstärker handelt. In dieser Kombination können die Lichtschranken je nach Geräteauswahl (Sender, Empfänger, Verstärker) hohe Gesamtreichweiten von bis zu 70m erzielen. Dennoch werden sie in der Regel mit ähnlichen Arbeitsabständen genutzt, wie man sie von klassischen Lichtschranken kennt. Die durch die hohe Reichweite (Sendeleistung) von Hochleistungslichtschranken verfügbaren Leistungsreserven dienen auf kürzeren Distanzen vor allem zur hocheffizienten Verschmutzungskompensation.

Hohe Durchdringung mit Infrarotlicht

Solche Lichtschranken arbeiten mit Infrarotlicht, das aufgrund seiner Wellenlänge von rund 880nm über sehr gute Durchdringungseigenschaften verfügt. Infrarotlicht befindet sich im nicht sichtbaren Bereich. Die Systeme lassen sich jedoch durch die relativ großen Öffnungswinkel (Abstrahlwinkel) von Sender und Empfänger selbst bei größeren Entfernungen leicht aufeinander ausrichten, zumal die meisten Verstärker hierfür eine Ausrichtfunktion integrieren. Allgemein gilt: Je besser Sender und Empfänger aufeinander ausgerichtet sind, desto größer ist, je nach Leistung, die Verschmutzungskompensation des Gesamtsystems. Allerdings: Je größer der Abstrahlwinkel des Senders (6, 12 oder 25°), desto geringer ist die Reichweite der Lichtschranke. Zentraler Bestandteile von Hochleistungslichtschranken sind die Verstärker, wobei Anwender generell die Wahl zwischen Einkanal- und Mehrkanalverstärker (Multiplexverstärker) haben. Während sich an einem Einkanalverstärker lediglich eine Lichtschranke anschließen lässt, ermöglichen Multiplexverstärker mit wenig Verdrahtungsaufwand den Anschluss von zwei, vier oder acht Lichtschranken. Multiplexverstärker sind in der Signalverarbeitung im Vergleich zu Einkanal-Verstärkern langsamer und verfügen über eine geringere Leistung, die mit einer geringeren Reichweite des Gesamtsystems einhergeht. Ein Vorteil von Multiplexverstärkern ist aber, dass sich die hieran angeschlossenen Lichtschranken im Einsatz nicht gegenseitig beeinflussen. Über eine spezielle Verstärkerfunktion lassen sich auch Lichtgitter realisieren. Alle Lichtschranken sind dann auf einen Signalausgang geschaltet, der immer dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn eine der Lichtschranken im Lichtgitter unterbrochen wird. Alternativ hierzu lassen sich die am Verstärker angeschlossenen Lichtschranken aber auch über separate Signalausgänge auswerten.

Einsatzflexibilität durch Grundfunktionen

Einkanal- sowie Multiplexverstärker unterscheiden sich ferner im Hinblick auf verschiedene Grundfunktionen (Manuelle Funktion, Automatikfunktion und Messfunktion). Über die manuelle Funktion wird eine fest eingestellte und somit in der Anwendung stets konstante Sendeleistung für eine Lichtschranke vorgegeben. Die Automatik-Funktion ermöglicht es indes, die anfänglich vorgegebene Sendeleistung gewissermaßen situationsbedingt nachzuregeln. Der Verstärker hält hierzu die Lichtschranke einsatzbezogen auf eine kontinuierlich überwachte minimale Sendeleistung. Verringert sich die Signalstärke auf der Empfängerseite, z.B. durch eine zunehmende Verschmutzung der Lichtschrankenoptiken, wird die Sendeleistung automatisch nachgeführt (Ausgleich des Signaldrifts durch Erhöhung des Sendesignals), bis eine gewisse Regelgrenze erreicht ist. In diesem Fall wird ein Signalausgang als Hinweis gesetzt, die Optiken der Lichtschranke rechtzeitig zu reinigen. Darüber hinaus verfügen einige Verstärker über einen Analogausgang, über den proportional zur Sendeleistung der Lichtschranke Messwerte zur Auswertung an eine Anlagensteuerung (SPS) geliefert werden können, bspw. um spezifische Schaltsignale zu erzeugen. Soweit die grundlegenden Eigenschaften und Funktionen von Hochleistungslichtschranken, deren klassische Einsatzfelder sich zumeist in Anwendungen finden, in denen Schmutz, Staub, aber bspw. auch Feuchtigkeit oder weitere Faktoren die Optiken beeinflussen, also z.B. in Waschstraßen, Sägewerken, Zementwerken oder aber generell bei der Ansteuerung von Toren sowie Schranken in Außenbereichen. Doch solche Lösungen lassen sich auch für ganz spezielle Aufgaben nutzen, z.B. in einer kathodischen Tauchlackierung.

Verschmutzung erkennen statt kompensieren

In den Becken der Tauchlackierung befinden sich mit Gleichspannung versorgte Rundzellen, die über ein Vor- und Rücklaufsystem gekühlt werden. Die Rundzellen bestehen aus einer Membran und einer Titananode mit natürlichem Alterungsprozess. Hierdurch oder durch andere äußere Einflüsse kann eine Zelle und auch die Membran beschädigt werden, wodurch Lack eindringt und das durch die Rundzellen geleitete Kühlmedium kontaminiert. Auch weitere Zellen im Tauchbecken können somit verunreinigt werden. Daher befindet sich am Rücklauf jeder Rundzelle ein Glasröhrchen als Messstelle zur sogenannten Trüblaufüberwachung des Kühlmediums. Für die Messstellen wählte man jeweils eine Hochleistungslichtschranke bestehend aus einem Sender und einem Empfänger in Kombination mit einem Verstärker. Jede Lichtschranke arbeitet autark mit separater Auswertung im Verstärker. Da die Trüblaufüberwachung eine hohe Empfindlichkeit der Sensorik erforderte, wurde die Sendeleistung manuell eingestellt. Wird eine Lichtschranke aufgrund einer schon geringen Eintrübung der Kühlflüssigkeit unterbrochen, erzeugt der entsprechende Auswertekanal am Verstärker ein Schaltsignal, das an die SPS der Anlage übertragen und im Leitstand in Klartext visualisiert wird. Hierdurch ist die defekte Rundzelle im Tauchbecken eindeutig identifiziert. Parallel hierzu wird das Kühlsystem sofort abgeschaltet, um die zur Messstelle gehörende Zelle zu deaktivieren. Das restliche Kühlmedium sowie weitere Rundzellen lassen sich somit sehr zuverlässig vor Verunreinigungen schützen.

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Wo andere Systeme versagen

Ein weiteres Beispiel beschreibt den Einsatz von Hochleistungslichtschranken bei der Anwesenheitskontrolle von flachen, großformatigen Kunststoffteilen für die Automobilindustrie nach einem Ofendurchlauf zur Übergabe an einen nachfolgenden Transportprozess. Im Bereich der Kontrolle herrschen aufgrund der noch warmen Kunststoffteile höhere Umgebungstemperaturen sowie eine prozessbedingte hohe Staubentwicklung. Die Kunststoffteile werden zudem über ein Stabgeflechtförderband transportiert, was deren Detektion zusätzlich erschwert. Versuche mit einer Standardreflexlichtschranke sowie einem Lasertaster scheiterten aufgrund der zu geringen optischen Leistungsfähigkeit der Reflexlichtschranke und der fehlerhaften Hintergrundausblendung des Tasters. Um das Förderband bei der Anwesenheitskontrolle der Kunststoffteile sicher durchdringen zu können, wurde eine Hochleistungslichtschranke bestehend aus einem Sender mit einem Öffnungswinkel von 6° für maximale Sendeleistung und einem Empfänger (Öffnungswinkel 25°) sowie einem Einkanalverstärker gewählt. Diese Systemkonfiguration führte schließlich zum Erfolg, zumal die Lichtschranke aufgrund ihrer hohen Reichweite außerhalb des Transportbandes als thermisch kritischer Bereich installiert werden konnte.

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