Sensorik

Optosensoren messen jeden Tropfen

Feldmann Feldmann

1. September 2015 - 08:39

Die Verpackung ist das eine, wie der Inhalt in die Verpackung gelangt das andere. Speziell bei kleinen Mengen ist ein Tropfen oft schon zu viel. Deshalb setzt die Firma Brand bei ihren Flaschenaufsatz-Dispenser auf ebenso kompakte wie ausgereifte Sensorik.

Bei den Abfüllanlagen für Kleinstmengen überwachen Opto-Sensoren die Kanülen auf Luftblasen. Aufgrund der Packungsdichte sind Mini-Abmessungen Pflicht.Brand GmbH + Co KG

Präzises Dosieren wässriger Medien ist aufgrund immer kleinerer Abgabevolumina längst nicht nur im Labor eine Herausforderung. Automatisierte Dosiersysteme müssen ebenso die gleiche Genauigkeit und Prozesssicherheit erreichen. Speziell bei kleinen Volumina erfordert das filigranere Systemkomponenten, angefangen bei den Dosiereinheiten bis hin zu den Sensoren, die für kleinste Einbausituationen ausgelegt sind. Für ihre 2-ml-Dosiereinheit ‚Seripettor‚ spezifiziert Brand typischerweise eine Genauigkeit von ±1 % bei 50 µl Sollvolumen eines wässrigen, niedrigviskosen Mediums. Konkret: der Dispenser muss auf 0,5 µl exakt dosieren. „Allerdings,“ so Eberhard Albrecht, Leiter Produktionstechnik und Sondermaschinenbau bei Brand, „handelt es sich bei diesen Angaben um Standardwerte. Im Rahmen von Dosierversuchen mit den Originalmedien erreichen wir in der Anwendung häufig noch engere Toleranzen.“

Ein bewährtes Konzept angepasst

Flaschenaufsatz-Dispenser ermöglichen das präzise Dosieren von Medien direkt aus der Vorratsflasche. Dabei ist der Prozess einfach: Eine Aufwärtsbewegung des Kolbens füllt die Dosiereinheit mit Flüssigkeit. Während einer anschließenden Abwärtsbewegung des Kolbens wird das Medium über ein Ventilsystem durch die Dosierkanüle abgegeben. Dieses Kolben-Zylinder-Prinzip setzt Brand in den eigenen Produktionseinrichtungen und Dosieranlagen ein.

Als Herzstück der Dosieranlagen wurden die Kolbenhubsysteme zuerst im Nennvolumen von 10 und 25 ml eingesetzt. „Bei noch kleinerer Dosiereinheiten für geringere Abgabevolumina erwiesen sich die bis dato genutzten kapazitiven Sensoren als ungeeignet“, so Albrecht. Dieser Sensortyp erkannte die unerwünschten Luftansammlungen im Zylinder der Dosiereinheit nicht mehr zuverlässig. Das verlangte nach einer anderen Lösung, die in Form der miniaturisierten Opto-Sensoren von Balluff gefunden wurde.

Die nur wenige Millimeter großen optoelektronischen Sensorköpfe Micromote haben ein robustes Metallgehäuse und werden über separate Verstärker betrieben. Das sorgt für die kleinen Abmessungen, wie sie Brand für seine Dosieranlagen benötigt. Je nach Typ und Vorgaben des Anwenders sind unterschiedlich viele Dosiereinheiten in Reihe nebeneinander platziert. Die abgesetzten Verstärker mit ihren Anzeige- und Bedienelementen befinden sich außerhalb der Anlage im Schaltschrank. Flexible elektrische Leitungen übertragen die Sensorsignale zum abgesetzten Verstärker.

Zwischen den eng aneinander gereihten Einheiten ist kein Platz für herkömmliche Sensoren. Was aussieht wie die Klemmbefestigung der Zylinder sind die Sender- und Empfängereinheiten der Einweg-Lichtschranken.Brand GmbH + Co KG

Spezielle Fertigungstechnik lässt die Opto-Sensoren schrumpfen

Ihre geringe Baugröße verdanken die Sensoren einer eigens entwickelten und patentierten Herstellungstechnologie zur Fertigung der mikrooptischen Komponenten (LEDs, Fotodioden sowie Fototransistoren- und Laserdioden-Einheiten). Die laut Balluff weltweit kleinsten Optosensoren gibt es in unterschiedlichen Ausführungen als Reflexions-Lichttaster für diffuse Objekt-Reflexion oder mit Hintergrundausblendung sowie als

Reflexions-Lichtschranken oder auch als Einweg-Lichtschranken. Brand setzt in den Dosieranlagen Einweg-Lichtschranken in modifizierten Ausführungen ein. „Entscheidend ist für uns auch die zuverlässige Wassererkennung, die mit anderen Techniken eher problematisch ist“, betont Albrecht.

Die Prozess-kritischen Luftansammlungen im Dosierzylinder werden über die Abwesenheit von Flüssigkeit erkannt. Um das zu gewährleisten, arbeiten die Micromote-Sensoren bei dieser Anwendung mit etwa 1 480 nm im Infrarotbereich. Bei dieser Wellenlänge hat Wasser sein Absorptionsmaximum. Dadurch wird die Detektion von Flüssigkeiten mit hohem Wassergehalt wesentlich vereinfacht, sodass die Opto-Sensoren auch bei klarem Wasser zuverlässig arbeiten, auch dann noch, wenn die zu befüllenden Zylinder aus halbtransparentem Material bestehen. Das gleiche Detektionsverfahren mit Einweg-Lichtschranken nutzt das Unternehmen auch bei den Niveauausgleichs- behältern. Sie sorgen für einen konstanten Systemdruck und dienen gleichzeitig als Luftfalle. Hier wird der minimale und maximale Füllstand detektiert. Auf gleiche Weise erfolgt eine Überwachung des Hauptbehälters. Dazu sind die Sender- und Empfängermodule am Ansaugschlauch platziert und prüfen, ob noch Flüssigkeit darin ist.

Die optoelektronischen Sensorköpfe werden über separate Verstärker betrieben.Balluff

Kleiner als Faser-optische Lösungen

Die präzise Dosierung flüssiger Medien ist zu allererst eine Frage der Dosiertechnik. Aufgrund der bei vielen Anwendungen erforderlichen sehr geringen Abgabemengen bei engen Toleranzen, stellen maschinelle Hochleistungsdosiersysteme eine Herausforderung für Maschinenbauer dar. Der Bauraum in den ganz oder in Teilen austauschbaren Dosiermodulen ist extrem eng. Herkömmliche kapazitive Sensoren finden wegen ihrer Baugröße daher keinen Platz. Außerdem können sie aufgrund der speziellen Kolbenform der 2-ml-Dosiereinheiten und wegen des maximal zulässigen Schaltabstandes die zuverlässige Erkennung von Flüssigkeiten im Zylinder nicht gewährleisten. „Übrigens haben auch Faseroptiken größere Einbaumaße als die winzigen Optosensoren von Balluff. Auch sind Ausführungen mit der speziellen Wellenlänge zur Wassererkennung am Markt nicht verfügbar“, ergänzt Albrecht.

Technik im Detail

Miniatursensoren: Klein und variabel

Um leistungsfähige Miniatursensoren realisieren zu können, haben die Entwickler von Balluff nicht auf herkömmliche optoelektronische Bauelemente zurückgegriffen. Vielmehr entwickelten sie eigene, Microspot genannte LEDs mitsamt der dazu notwendigen patentierten Herstellungstechnik. Dieser Fertigungsprozess erlaubt es, die Optik jedes Sensors auf die jeweilige Applikation auszulegen. Diese Vorgehensweise führt nicht nur zu einer weiteren Miniaturisierung, die optischen Eigenschaften verbessern sich zudem.

Im Gegensatz zu ihren Pendants von der Stange, die nicht selten ‚Schielfehler‘ bis zu 10° aufweisen, liegen die Achsfehler der Microspot LEDs unter 3°. Zusätzliche Komponenten wie Linsen, Blenden oder Filter sind nicht erforderlich. Zeitaufwendige Arbeiten wie die Mikrojustage und ein optischer Abgleich sind überflüssig.

Neben Ausführungen für Standardaufgaben wie der Objekterkennung sind auch Spezialisten verfügbar, etwa Sensoren mit einer speziellen Wellenlänge zur Wassererkennung. Diese Varianten detektieren im Durchlichtverfahren zuverlässig Luft-Flüssigkeitsübergänge.

Eine weitere Besonderheit sind Micromote-Sensoren für den Ein-satz im Hoch- und Ultrahochvakuum bis 1×10-9 mbar. Erhältlich sind Ausführungen für den direkten Einbau in die Kammerwand mit integrierter Dichtfunktion und individueller Befestigung sowie Versionen zur vollständigen Installation im Hochvakuum. Bei letzterer werden die elektrischen Signale über Vakuumdurchführungen zur außerhalb gelegenen Elektronik geleitet. Das Ausgasungsverhalten dieser Sensoren lässt sich durch eine kundenspezifische Materialauswahl genau definieren.

Lichtbandsensoren gibt es sowohl in Gabelbauform mit 40 bis 80 mm Weite als auch mit getrennten Empfängermodulen mit einer Lichtbandbreite von 10 bis 180 mm. Bei diesem Typ besteht das Sendeelement aus vielen parallel geschalteten LEDs. Deren Lichtkegel überlagern sich und bilden dadurch ein homogenes Lichtband. Dies bietet den Vorteil, dass Objekte unabhängig von ihrer Ausrichtung abgebildet und von den Empfängerelementen präzise erkannt werden. Typische Anwendungen sind schnelle Zähl- und Erfassungsaufgaben, die Bahnkantensteuerung, das Erkennen von Fehlern in schnell laufenden Filamenten von Textilfasern oder auch die Konturvermessung von Garnspulen auf Förderbändern.

(sk)