Der kundenspezifisch entwickelte Wirbelstrom-Wegsensor ‚indusensor EDS‘ ist auf eine längere Wegstrecke als üblich ausgelegt und besonders robust, sodass er die rauen Umgebungsbedingungen in der Nähe von Glasöfen übersteht.

Der kundenspezifisch entwickelte Wirbelstrom-Wegsensor ‚indusensor EDS‘ ist auf eine längere Wegstrecke als üblich ausgelegt und besonders robust, sodass er die rauen Umgebungsbedingungen in der Nähe von Glasöfen übersteht. Micro-Epsilon Messtechnik

Behälterglas wie Glasflaschen werden heute überwiegend in so genannten IS-Maschinen (Individual Section Machine) im Press-Blas-Verfahren hergestellt. In diesen Maschinen produzieren verschiedene Sektionen parallel das jeweilige Behälterglas. Aus der Glasschmelze wird über einen Feeder-Kopf das Glas in Form von Glastropfen entnommen. Dazu wird der Glasstrom in regelmäßigen Abständen mit einer gekühlten Schere abgeschnitten. Über ein Rinnensystem gelangen die Tropfen zu den einzelnen Stationen, wo das Glas mit einem so genannten Pegel in eine Vorform gepresst wird. Das so entstandene Külbel wird in einem zweiten Schritt durch Druckluft in die endgültige Form geblasen. Anschließend folgen noch weitere Prozessschritte bis zum fertigen Produkt. Je nach Typ der Maschine und Größe der Glasbehälter produziert eine Maschine 200 bis 400 Flaschen pro Minute.

Eck-daten

Wirbelstrom-Wegsensoren messen Weg, Abstand und Position mit hoher Genauigkeit.

Die Messgenauigkeit liegt im Bereich einzelner Mikrometer, kann aber auch wesentlich höher sein.

Die Messergebnisse sind weitgehend unabhängig von der Temperatur und Temperaturschwankungen.

Der Sensorhersteller Micro-Epsilon entwickelt aus seinen Standard-Sensorbaureihen auch kundenspezifische Sonderanfertigungen für spezielle Messaufgaben.

„Der wichtigste Faktor, der die Qualität des Endprodukts beeinflusst, ist das Gewicht des Glastropfens“, erklärt Jürgen Berger, Leiter der Elektronik-Abteilung bei dem mittelständischen Maschinenbauer Glasproduktions-Service (GPS) aus Essen. Das ist speziell bei Enghals-Behälterglas der Fall – also Flaschen für Bier oder Wein. Das Gewicht der fertigen Flasche darf nur in einem kleinen Toleranzbereich von etwa ±1% abweichen. „Ansonsten“, betont Berger, „kann es beim Abfüller zu Problemen kommen. Im Zweifel schicken die Abfüller dann eine komplette Flaschenlieferung zurück.“

Gewichtsbestimmung als Herausforderung für die Messtechnik

Die Größe beziehungsweise das Gewicht eines zähflüssigen, heißen Glastropfens festzustellen ist eine Herausforderung. Die Temperaturen am Feeder sind hoch, zusätzlich entstehen im Betrieb starke Erschütterungen. Die Maschinen laufen in der Regel im 24-Stunden-Betrieb rund ums Jahr. Somit muss die Messtechnik zwischen 5 und 8,5 Millionen Zyklen pro Jahr unter diesen schwierigen Bedingungen standhalten.

Um das Gewicht des Glastropfens möglichst genau zu bestimmen, setzt GPS einen Positionssensor (Wirbelstrom-Wegsensor) ein, der die genaue Stellung des Pegels ermittelt. Je weiter nämlich der Pegel während des Pressens in die Vorform eintaucht, desto weniger Glas befindet sich in der Vorform. Um die geforderte Genauigkeit von ±1% beim Gewicht des Glastropfens zu erreichen, muss die Position des Pegels bei einer Gesamthubhöhe von etwa 150 mm mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm gemessen werden. Weicht die Position des Pegels ab, so kann die Tropfengröße nachgeregelt werden. Dazu wird die Fließgeschwindigkeit des Glases am Feederkopf verändert, indem das so genannte Tonrohr nach oben oder unten verstellt wird.

Der Glastropfen aus dem Feeder mit geschmolzenen Glas wird mit einer gekühlten Schere abgeschnitten – das richtige Gewicht des Glastropfens ist dabei ein entscheidendes Qualitätsmerkmal für die Glasflasche.

Der Glastropfen aus dem Feeder mit geschmolzenen Glas wird mit einer gekühlten Schere abgeschnitten – das richtige Gewicht des Glastropfens ist dabei ein entscheidendes Qualitätsmerkmal für die Glasflasche. Micro-Epsilon Messtechnik

GPS hatte bereits 1997 erste Versuche unternommen, die Messtechnik innerhalb des Pegelmechanismus zu integrieren, um die das Tropfengewicht und damit Qualität der Endprodukte zu optimieren. Dazu regelt die integrierte Steuerungs-Software namens ‚Prozesskontrolle+‘ das Tropfengewicht nach; wenn das Gewicht der Flaschen zu hoch oder zu niedrig ist, sorgt die Software außerdem dafür, dass diese Flaschen aus dem Produktionsprozess ausgeschleust werden.

In der ursprünglichen Version des Messsystems war die Standzeit der Positionssensoren begrenzt, berichtet Berger: „Nach durchschnittlich nur sechs Monaten mussten wir sie austauschen.“ Im vergangenen Jahr untersuchte daher GPS gemeinsam mit dem Sensorik-Spezialisten Micro-Epsilon die Ursachen für die kurze Standzeit der Sensoren mit dem Ziel, eine verbesserte Lösung zu entwickeln. Als Hauptursache für einen Sensor-Ausfall konnten die starken Erschütterungen mit Schockbelastungen bis zu 1.000 g identifiziert werden. Außerdem griff das verwendete Schmiermittel die Vergussmasse des Sensors an – und beschädigte so die Elektronik im Sensor.

Sensoren unempfindlich gegen Erschütterungen und Schmiermittel

Der sogenannte Pegel presst den Glastropfen in eine Vorform im Pegelzylinder. Dabei spielt ein integrierter Wirbelstrom-Wegsensor (Wegaufnehmer) die zentrale Rolle – über den Eintauchweg des Pegels errechnet sich nämlich das Gewicht des Glastropfens.

Der sogenannte Pegel presst den Glastropfen in eine Vorform im Pegelzylinder. Dabei spielt ein integrierter Wirbelstrom-Wegsensor (Wegaufnehmer) die zentrale Rolle – über den Eintauchweg des Pegels errechnet sich nämlich das Gewicht des Glastropfens. Micro-Epsilon Messtechnik

Auf Basis der Untersuchungsergebnisse entwickelte Micro-Epsilon einen kundenspezifisch modifizierten Wegsensor zur Integration in den Pegelmechanismus. Diese Sonderanfertigung des Langwegsensors indusensor EDS besteht aus einem Sensorstab mit integrierter Elektronik, über den ein Rohr verschoben wird. Der Sensor bestimmt dabei die genaue Position des Rohrs. Das Messprinzip basiert auf dem Wirbelstromeffekt. Dazu sind im Sensorstab eine Messspule und eine Kompensationsspule untergebracht. Dabei induziert die Messspule durch Wirbelströme ein magnetisches Feld im Rohr, das in Abhängigkeit von der Position die Impedanz der Messspule beeinflusst. Das magnetische Feld der Kompensationsspule hat dagegen keine Kopplung mit dem Rohr, so dass dessen Impedanz unabhängig von dessen Position ist. Mit dieser Messanordnung werden Temperatureinflüsse und sogar der Einfluss eines Temperaturgradienten entlang des Messweges weitgehend eliminiert und ein lineares Ausgangssignal von 4 bis 20 mA erzeugt. Ein separates Target-Rohr wird also nicht benötigt – stattdessen taucht der Sensor direkt in den Pegel ein, der innen hohl ist.

Um die Widerstandfähigkeit der Wirbelstrom-Wegsensoren gegenüber Schmiermitteln und Schockbelastungen zu erhöhen, ist der gesamte Sensor mit seiner Elektronik in ein dichtes Edelstahl-Gehäuse eingeschweißt. Über eine Bohrung im Innern des Sensors kann dieser zur Kühlung mit Luft durchspült werden. Auch bei der Anschlusstechnik des Sensors hat Micro-Epsilon in Zusammenarbeit mit GPS eine robuste Lösung entwickelt: Diese beruht auf vergoldeten Kontakten, die federnd gelagert sind und damit den hohen Schockbelastungen standhalten.

Inzwischen läuft das Mess- und Regelsystem zur Prozesskontrolle mit den neuen, kundenspezifischen Langwegsensoren sehr zuverlässig in den IS-Maschinen von GPS. Vor allem deren Kunden profitieren nun von diesem System, das eine gleichbleibend hohe Qualität der Glasflaschen ermöglicht.

SPS IPC DRIVES 2017: Halle 7A / Stand 130

Messprinzip Wirbelstrom-Wegsensoren

Das Messprinzip von Wirbelstrom-Wegsensoren beruht auf dem Entzug von Energie aus einem elektromagnetischen Schwingkreis. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule bildet. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin (induzierte) Wirbelströme, die selbst ein Feld bilden. Dieses Feld wirkt dem Feld der Spule entgegen, was eine Änderung der Spulenimpedanz (Wechselstromwiderstand) bewirkt. Diese Impedanz lässt sich als Änderung der Amplitude und der Phasenlage der Sensorspule als messbare Größe am Controller abgreifen. Das Verfahren ist zur Messung gegen alle elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Weil die elektromagnetischen Felder Isolatoren ungehindert durchdringen, lassen sich auch Metalle hinter einer isolierenden Schicht als Messobjekt einsetzen. Staub, Schmutz und Öl beeinflussen die Messung ebenfalls nicht. Wirbelstrom-Wegsensoren messen Weg, Abstand und Position mit hoher Genauigkeit.