MESSTECHNIK & ANALYTIK



 Optimierung von Abläufen bei der Getränkeabfüllung 

Photoelektrische Sensoren 

Ein mikromechanisches System mit Sensor. Quelle: Contrinex

Contrinex entwickelt unter anderem kompakte optische Sensoren sowie Technologien zur Erkennung transparenter Objekte. Die TRU-C23-Sensoren werden auch in der Getränkeindustrie eingesetzt und unterstützen dort die Prozessüberwachung und -optimierung. Die photoelektrischen Sensoren eignen sich zur Anwesenheitskontrolle von Glas- und Kunststoffflaschen in Abfüllanlagen. Zu den technischen Merkmalen zählen ein Erfassungsbereich von bis zu 1200 Millimeter sowie eine UV-basierte Technologie zur Erkennung durchscheinender Materialien.

Anders als das Licht anderer Wellenlängen wird polarisiertes UV-Licht selbst von transparenten Objekten größtenteils absorbiert. Deshalb kann der Schwellenwert, an dem die Sensoren schalten sollen, vom Anwender sehr einfach gesetzt werden. Weder die Dicke noch die Form des zu erkennenden Objektes haben einen Einfluss auf das Messergebnis der Sensoren. Ihr Herzstück bilden eine LED, die polarisiertes UV-Licht aussendet, und ein UV-Reflektor. Damit erfassen die Sensoren selbst dünnste transparente Gegenstände.

Die photoelektrischen Miniatursensoren von Contrinex sind die kleinsten optischen Sensoren mit integrierter Elektronik auf dem Markt. Es gibt sie als Lichttaster oder Einweglichtschranke. Quelle: Contrinex, Shutterstock/asharkyu

Eine spezielle Optik mit Autokollimation sorgt zudem für eine zuverlässige Erkennung ohne Blindzone – selbst in unmittelbarer Nähe des Sensors oder durch eine kleine Kerbe hindurch. Speziell für Anwendungen, bei denen dickere oder größere transparente Objekte erkannt werden müssen, wurde der C23 Transparent Standard entwickelt: Dieser Sensor arbeitet mit polarisiertem rotem Licht und hat eine maximale Reichweite von bis zu 5.000 Millimeter. Die photoelektrischen Sensoren sind Ecolab-geprüft, entsprechen der Schutzart IP67 und halten allen industriellen Reinigungsverfahren stand. Sie besitzen eine I/O-Link-Schnittstelle, über die sie sich auch aus der Ferne sicher in Betrieb nehmen lassen.

Optische Sensoren des Unternehmens sind aber nicht nur in der Getränke-Industrie zu finden. Die Geräte erkennen auch die Position von Platinen in Lötanlagen oder erfassen an Pick-and-Place-Verpackungsautomaten die Höhe der obersten Beutelschicht in den Kartons und weisen unzureichend gefüllte Boxen vor dem Verschließen zurück. Da sich die zu erfassenden Objekte oft stark voneinander unterscheiden und zudem sehr schnell bewegen, sind die Anforderungen an die eingesetzten Sensoren hoch. Sie müssen nicht nur helle und dunkle Oberflächen sicher voneinander unterscheiden können, sondern auch große Erfassungsbereiche abdecken.

Contrinex fertigt eine große Bandbreite photoelektrischer Sensoren. Sie bieten eine hohe Schaltfrequenz und erfassen selbst kleinste Objekte. Quelle: Contrinex

Induktive und kapazitive Sensoren eignen sich nicht für diese Anwendungen, denn sie erkennen nur Objekte aus bestimmten Materialien oder sind leicht beeinflussbar. Die sicherste Er-kennung von Gegenständen mit unterschiedlich strukturierten und gefärbten Oberflächen bieten deshalb optische Sensoren.

Der Grund für die extrem hohe Genauigkeit optischer Sensoren liegt in ihrer Funktionsweise: Eine Sendediode (LED) emittiert einen Strahl aus gepulstem Licht, der auf das zu erkennend Objekt trifft. Dadurch wird der Strahl einerseits unterbrochen und andererseits zum Teil reflektiert. Abhängig von der Art des verwendeten optischen Sensors wird entweder die Unterbrechung des Strahls oder das vom Objekt reflektiert Licht ausgewertet.

Neben den bereits erwähnten TRU-C23-Sensoren fertigt das Unternehmen zahlreiche weitere optische Sensoren mit großen Erfassungsbereichen. Die Bandbreite reicht von Reflexions-Lichtschranken und Einweg-Lichtschranken über Lichttaster mit und ohne Hintergrundaus-blendung bis hin zu Sensoren mit Analogausgang und Sensoren im Miniaturformat.

Die photoelektrische Miniatursensoren eignen sich besonders für Anwendungen mit sehr kleinem Bauraum. Ein gutes Beispiel sind intelligente Förderbänder in Verpackungsmaschinen. Hier kommen unter anderem photoelektrische Sensoren vom Typ LTI-D04MA-NSK-403 mit einem Durchmesser von lediglich 4 Millimeter zum Einsatz. Die Sensoren erkennen vorbeifahrende Kunst-stoff-Trays von unten und stoppen sie, damit die jeweilige Charge gescannt und eingelesen werden kann.

Photoelektrische Miniatursensoren vom Typ LTI-D04MA-NSK-403 haben einen Durchmesser von gerade einmal 4 mm. Quelle: Contrinex

Da die zu erfassenden Trays aus dunklem Kunststoff bestehen, wählte der Anwender die Infra-rot-Ausführung der Sensoren. Mit einem Infrarot-Messstrahl können – anders als mit Laser oder einer Standard-LED – dunkle Objekte detektiert werden, da diese deutlich mehr Wärme abgeben als helle Objekte. Diese Wärme wird dann vom Sensor erfasst und in ein Schaltsignal umgesetzt. Das Funktionsprinzip von Lichttastern oder Laser-LED ist dagegen anders: Sie erkennen Objekte anhand der Reflexion eines emittierten LED-Strahls. Da dunkle Gegenstände aber kaum Licht reflektieren, kamen diese Technologien für die Detektion der Kunststoff-Trays nicht in Frage.

Der LTI-D04MA-NSK-403 kann Objekte in einem Abstand zwischen 0...12 Millimeter erfassen (Infra-rot-LED 880nm) und ist bei Umgebungstemperaturen im Bereich von –25 ...+65 Grad Celsius funktions-fähig. Mit einer Ansprechzeit von ≤ 500ms und einer Schaltfrequenz von <1kHz (Normal-Modus) detektiert der Sensor selbst sehr schnell vorbeifahrende Objekte zuverlässig. Für Applikationen, in denen der Hintergrund vom Sensor nicht erkannt werden soll, liefert das Unternehmen auch eine Teach-Variante (IO-Link oder Wire-teach). Hier lässt sich die gewünschte Entfernung exakt einstellen.

Das Unternehmen optimiert seine photoelektrischen Sensoren ständig. Seit dem letzten Re-Design wird zum Beispiel statt Saphir eine Kombination aus PBT/PMMA verwendet. Der Strahl der Infrarot-, Laser- und Pinpoint-LED ist dadurch noch fokussierter und kann jetzt sogar kleinste Objekte erkennen. Für eine einfache Handhabung gibt es die optischen Miniatursensoren auch als Rotlicht-Ausführung: Hier ist der Lichtpunkt sichtbar und kann deshalb mit sehr geringem Aufwand auf die zu erkennenden Objekte ausgerichtet werden.

Der TRU-C23-UV steht in Versionen für den Kabel- oder Steckeranschluss zur Verfügung. Quelle: Contrinex

Für die Erkennung kleinster schwarzer Objekte vor hellem Hintergrund hat das Unternehmen Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung im Programm. Diese verfügen über ein patentiertes Doppeloptiksystem mit einem außergewöhnlich großen Einstellbereich von 25 bis 500 Millimeter und weisen keinerlei Schwarz-Weiß-Verschiebung auf.

Die Signalaufbereitung der photoelektrischen Sensoren erfolgt auf einem hoch-komplexen applikationsspezifischen Chip (ASIC) aus eigener Entwicklung. Alle optischen Sensoren der Baureihen C23, C55 und M18 verfügen zudem über eine IO-Link-Schnittstelle und sind damit bereit für intelligente Smart Factory-Anwendungen. IO-Link ermöglicht nicht nur eine kontinuierliche Überwachung der Prozessdaten, sondern auch das ständige Monitoring des Sensorstatus, die Empfindlichkeitseinstellung und die Überprüfung der Sensor-ID. So kann sichergestellt werden, dass der richtige Sensor am richtigen Ort ist.

Sowohl die Kalibrierung als auch die Installation der optischen Sensoren ist unkompliziert. Da die meisten Baureihen durch die Parametrierung des ASICS kalibriert werden, ist nur wenig Aufwand nötig. Diese Art der Kalibrierung garantiert darüber hinaus eine hohe Messgenauigkeit und eine geringe Exemplar-Streuung. Die Sensoren lassen sich zudem sehr einfach in Anwendungen integrieren, denn sie können in jeder Position montiert werden. Das gilt für alle Bauarten, insbesondere aber natürlich für die miniaturisierten Modelle. Dank IO-Link-Schnittstelle ist es sogar möglich, die Sensoren in eingebautem Zustand zu justieren.

Autor


Dipl.-Ing. Norbert Matthes

Technical Sales Manager bei der Contrinex Sensor GmbH