Multifunktional: Ein Sensor misst Füllstand, Grenzwert und Temperatur

Der Multisensor CFP Cubic überwacht die Füllhöhe (kapazitives Messprinzip) und die Temperatur von Flussmittel im Prozessbehälter einer Wellenlötanlage. Sick

Der Multisensor CFP Cubic von Sick lässt mit seiner Technik die bisherigen Einsatz-Restriktionen der kapazitiven Füllstandmessung hinter sich. Weder die Behälterform noch das Behältermaterial beeinträchtigen die präzise Erfassung der Messwerte für Füllstand oder Grenzwert. Möglich wird dies durch eine von Sick entwickelte Messmethodik – genannt Multi Capacitive intra-probe Measurement, kurz MCiM.

Die Überwachung der Füllhöhe von Prozesstanks beziehungsweise Prozessbehältern ist ein wichtiges Einsatzgebiet für diesen Sensor, beispielsweise beim Wellenlöten. Weitere Anwendungsgebiete sind zum Beispiel die Kontrolle der Füllhöhe von Ölen in Hydrauliksystemen von Pressen und anderen Maschinen oder die kontinuierliche Kontrolle von Reinigungs- und Desinfektionsmittelbehältern im Maschinen-und Anlagenbau, beispielsweise in der Abfüll- und Verpackungstechnik oder in Anlagen zur Verarbeitung von Getränken und Lebensmitteln.

Der Füllstand- und Grenzwertsensor ist auch mit einem integrierten Temperatursensor verfügbar. Der Temperaturwert ist oft ebenfalls erforderlich oder eine sinnvolle Zusatzinformation. In diesem Fall erspart der Multisensor den Installationsaufwand für einen zweiten Sensor.

Präzise Füllstandmessung im Prozessbehälter

Dass ‚der Schuster nicht immer die schlechtesten Schuhe tragen‘ muss, wie es in einem Sprichwort heißt, widerlegen mehrere Installationen des Multisensors in verschiedenen Produktionsanlagen des Sensorherstellers. Ein Beispiel dafür ist die Messung der Füllhöhe und Temperatur von Flussmittel in dem 5-Liter-Prozessbehälter einer Wellenlötanlage. In dieser Anlage werden Platinen für verschiedene Lichtschranken-Baureihen hergestellt. Das Flussmittel ist für den Lötprozess wichtig, weil es eine bessere Benetzung der Platine und Lötpunkte durch das heiße, flüssige Lot bewirkt. Zudem entfernt das Flussmittel durch eine chemische Reaktion auf der Platinenoberfläche vorhandene oder im Lötprozess entstehende Oxide und unterstützt so das Entstehen einwandfreier Lötverbindungen. Eine Unterbrechung der Flussmittelzufuhr durch das Leerlaufen des Prozesstanks muss deshalb unbedingt vermieden werden, weil sonst ein Stillstand bei der Platinenproduktion unvermeidlich ist. Die Produktion mangelhafter Platinen wäre eine sinnlose Materialverschwendung.

Füllstand, Grenzwert und Temperatur – der Multisensor CFP Cubic ist ein Multitalent, das die bisherigen Grenzen oder Schwierigkeiten der kapazitiven Füllstandmesstechnik hinter sich lässt. Sick

In der Lötanlage für die Lichtschrankenplatinen wird das Flussmittel aus einem mit 0,2 bar druckbeaufschlagten Edelstahlbehälter gepumpt und fein dosiert auf die Elektronikkarten aufgesprüht. Der Multisensor ist über einen verlängerten ¾-Zoll-Prozessanschluss im Behälter montiert. Mit der gewählten Sondenlänge von 200 mm konnte so ein Messbereich von 170 mm eingerichtet werden. Der Sensor misst im laufenden Betrieb kontinuierlich den Füllstand im Behälter – ein Stopp der Anlage zur visuellen Füllhöhenüberwachung ist nicht (mehr) erforderlich. Das Ausgangssignal für die Füllhöhe in mm wird als Prozentwert auf einem Display an der Maschine visualisiert. Beim Erreichen des eingestellten Minimal-Grenzwertes von 30 % gibt der Sensor ein Signal an die Maschinensteuerung aus und aktiviert zusätzlich eine Meldeleuchte. Dadurch kann rechtzeitig Flussmittel nachgefüllt werden – der Behälter läuft nicht unbemerkt leer. So wird ein Stillstand der Lötanlage vermieden. Parallel zur Füllhöhenmessung und Grenzwerterfassung kontrolliert der Sensor auch die Temperatur des Flussmittels im Behälter und meldet, wenn sich der übliche Wert von 40 °C signifikant verändern sollte.

Die IO-Link-Anbindung ermöglicht es, die Messwerte parallel zur Überwachung der Lötanlage auch für Analyse- und Dokumentationszwecke in überlagerten Prozessapplikationen sowie für das Condition Monitoring zu nutzen.

Multitalent für zahlreiche Anwendungen

Der Füllstand- und Grenzwertsensor CFP Cubic mit integrierter Temperaturmessung löst mehrere Messwert-Erfassungen in einem Gerät. Er kann dadurch den Installationsaufwand für einen zweiten oder sogar dritten Sensor einsparen. Durch sein medien- und behälterunabhängiges Messverfahren, seine variablen Sondenlängen bis 1.000 mm sowie die einfache Integration und Bedienung eignet sich dieser kapazitive Sensor für mehr Anwendungen als es früher mit kapazitiver Messtechnik möglich war.

Mit Hilfe des Easy-Clamp-Klemmbackensystems kann der Sensor zudem beim Wechsel der Aufgabenstellung oder des Einsatzortes in der Haltevorrichtung verschoben und so flexibel an die zu messende Füllhöhe angepasst werden. Das kompakte, platzsparende Gehäuse ermöglicht eine Montage auch in beengten Einbausituationen, beispielsweise in einen Behälter im Maschinenbett einer Werkzeugmaschine. Der elektrische Anschluss erfolgt über 5- oder 8-polige M12 Rundsteckverbinder – als Ausgangssignale können individuell konfigurierbare Digital- und Analogausgänge (4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V) nutzen. Darüber hinaus ist IO-Link standardmäßig in dem Sensor integriert, so dass er auch per Computer einstellbar ist und die Prozessdaten über die eigentliche Anwendung hinaus in einem Automatisierungsnetzwerk oder in Cloud-Applikationen nutzbar sind.

Über Teach-in-Tasten am Sensorkopf werden die Schaltpunkte sowie die Sensorausgänge menügeführt eingestellt und auf dem gut ablesbaren Display visualisiert. Der Messbereich entspricht der gewählten beziehungsweise der in den Behälter hineinragenden Sondenlänge. Die Sonde weist praktisch keine Totzone innerhalb ihres Messbereichs auf; so kann die Sonde bis fast an den Behälterboden herangeführt werden. So lassen sich auch minimale Füll- und Grenzstände zuverlässig detektieren. Im laufenden Betrieb zeichnet sich der robuste Sensor – der im Gegensatz beispielsweise zu Magnettauchsonden keine beweglichen Teile besitzt – durch weitestgehende Wartungsfreiheit aus. Zudem sind die Sonden des Sensors durch einen Kunststoffüberzug resistent gegenüber aggressiven Medien und zugleich vor Ablagerungen geschützt.

Integrierte Elektroden und Gegenelektroden ermöglichen die kapazitive Füllstandmessung mit nur einem Sondenstab. Sick

Wie die MCiM-Technik funktioniert

Herkömmliche kapazitive Sensoren zur Füllstandmessung benötigen neben ihrer eigenen, leitfähigen Oberfläche eine weitere Elektrode, um zwischen beiden ein elektrisches Feld zu erzeugen und somit eine Kapazität auszubilden. In der Praxis wird als zweite Elektrode häufig eine geerdete metallische Tankwand benötigt – die idealerweise über die gesamte Länge einen gleichbleibenden Abstand zum Sensor aufweist, also nicht wie bei einem liegenden, zylindrischen Tank gekrümmt ist. Bei Tanks aus Kunststoff entfällt die metallische Wandung – daher muss üblicherweise ein zweiter, elektrisch leitender Sondenstab im Tank montiert und geerdet werden. Hinzu kommt, dass das Messergebnis entscheidend von der Dielektrizitätskonstante des flüssigen Mediums abhängt. Diese weicht beispielsweise zwischen Wasser (80) und Öl (2) um etwa das Vierzigfache voneinander ab. Dies führt, wenn die in dem Tank eingefüllten Flüssigkeiten stark unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen, zu falschen Messwerten; dann ist eine Neukalibrierung des Sensors notwendig.

Die kapazitiven Füllstandmessungen erfolgen entlang des kompletten Sondenstabs in einer Reihe von Mess-Segmenten.





Sick

Mit der Messtechnik Multi Capacitive intra-probe Measurement, kurz MCiM, misst der Sensor CFP Cubic von Sick die dielektrische Kapazität in mehreren Segmenten innerhalb der Messsonde. In die Sonde integrierte Elektroden ermöglichen die Kalibrierung der umgebenden Flüssigkeit. Durch den Einsatz von Elektroden und referenziellen Gegenelektroden in einem Sondenstab arbeitet dieses Messverfahren unabhängig von der Tankbeschaffenheit oder einer zweiten Sonde. Das zur Kapazitätsmessung erzeugte elektrische Feld spannt sich stattdessen zwischen den integrierten Elektroden durch das zu messende Medium auf. Die Unterteilung der Sonde ermöglicht die exakte Füllstandmessung entlang der Sonde unabhängig vom flüssigen Medium.

(dw)