Auch die Sensorik entwickelt sich ständig weiter. Eine neue Generation von Geräten mit Lichtlaufzeitmessung schickt sich an, die klassischen Einweg- und Reflexlichtschranken zu ersetzen. Wie das geht, fand ke NEXT beim Sensorhersteller ifm Electronic in Essen heraus.
Es gibt Dinge, die lösen im Kopf eines engagierten Technikers oder Ingenieurs etwas aus. Er beginnt nachzudenken, vor seinem geistigen Auge entwickeln sich neue Maschinen, oder alte Probleme lösen sich spontan in Luft auf. Was ließe sich nur alles anstellen, wenn man Daten und Energie drahtlos übertragen könnte, was, wenn es Supraleiter gäbe oder besonders leichte, hochfeste Materialien? Wann immer derartige neue Komponenten auf den Markt kommen, werden sie binnen kurzer Zeit in Applikationen eingesetzt, in denen sie bei der Entwicklung der Technologie niemand erwartet hätte.
Der neue optische Sensor O5D bringt die PMD-Messtechnik in eine Standard-Sensorbauform.
Zu den Produkten, die bei Konstrukteuren und Entwicklern immer wieder Gedankenspiele auslösen, gehören nach der Erfahrung von Patric Kister auch die neuen optischen Sensoren mit der PMD-Technologie: „Das ist eines unserer interessantesten Produkte. Die legt man beim Kunden auf den Tisch und sieht sofort, wie er nachdenkt, wo er das am besten einsetzen kann.“ Kister ist bei ifm Electronic Produktmanager für optische Sensoren und wirkt selber überrascht, wie vielfältig seine neuen Optosensoren eingesetzt werden.
Lichtlaufzeitmessung mal anders
Ein Grund für den Einfallsreichtum seiner Kunden dürfte die PMD-Technologie sein. PMD steht dabei für Photo-Misch-Detektor. PMD ist eine spezielle Variante der Lichtlaufzeitmessung. Das Grundprinzip herkömmlicher Lichtlaufzeitmethoden beruht darauf, dass ausgesandtes Licht am Objekt reflektiert wird und zurück zum Sensor gelangt. Die Zeitspanne, bis das Licht wieder ankommt, ist direkt proportional zur zurückgelegten Distanz.
Das Verfahren ist sehr bewährt und bei Bedarf hoch präzise. Konventionelle Sensoren, die das Lichtlaufzeitverfahren verwenden, benutzen als Empfangseinheit eine Photodiode. Eine zusätzliche, externe Elektronik dient zur Signalerfassung und -verarbeitung. Dieses Sensordesign ist sehr performant, allerdings gleichzeitig teuer, groß und daher zwar bestens für Messaufgaben, aber oftmals nicht für industrielle Positionsabfragen geeignet.
Die PMD-Technologie ermöglicht prinzipiell eine sehr präzise Messung. Dabei wird das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert und die Entfernung, sehr grob umschrieben, aus der Phasenverschiebung des reflektierten Lichts berechnet.
Beim zylindrischen Modell OID lässt sich die Tastweite über einen simplen Drehring anpassen.
Das Empfangselement des PMD-Sensors ist ein System-on-Chip-Design: Sowohl Sensorelement, als auch die Elektronik zur Signalauswertung sind in einem einzigen Siliziumchip integriert. Durch diese hoch integrierte Bauweise ohne externe Auswerteeinheit lassen sich Sensoren in sehr kompakter Bauform entwickeln.
Auf Basis dieser Technologie hat ifm Electronic nun Sensoren entwickelt, die nicht messen, sondern detektieren sollen. Entsprechend sind die neuen Systeme OID und O5D auch keine millimetergenauen Messeinheiten. Das ist allerdings auch nicht der Anspruch der neuen Sensoren. Sie sollen vielmehr klassische Lichtschranken ersetzen, etwa in der Fördertechnik, wenn Pakete detektiert werden sollen oder in der Verpackungsmaschine, um zum Beispiel Joghurtbecher abzufragen.
Schon seit einiger Zeit gibt es das Modell O1D mit Tastweiten bis zu zehn Meter. Auf der Hannover Messe 2013 wurden nun die beiden neuen Modelle O5D und OID vorgestellt, bei denen die PMD-Technologie nun in sehr kompakte Standard-Sensorbauformen gebracht wurde. Das Ziel von ifm: Die Sensoren dort zu platzieren, wo bislang Lichtschranken zum Einsatz kamen.
Ähnlich intuitiv, nämlich über einfache Plus-Minus-Tasten, lässt sich beim O5D die Entfernung zum Objekt zentimetergenau einstellen.
Funktionsvielfalt einfach bedienbar
Doch warum sollte jemand bewährte Lichtschranken durch Sensoren mit PMD-Technik ersetzen? Wo doch jeder weiß, dass der Listenpreis einer Lichtschranke bei 100 bis 150 Euro liegt, Distanzsensorik aber eher bei 300 bis 1000 Euro. Preislich kann Patric Kister schon einmal beruhigen: „Unser Listenpreis beträgt 138 Euro für den O5D und 135 Euro für den OID. Damit liegen wir genau im Preisbereich der Standardsensoren, wie Einweg-, Reflexlichtschranken oder Reflexlichttaster.“ Und die Leistungsmerkmale der PMD-Sensoren können durchaus beeindrucken: Systembedingt hat man zunächst einmal eine absolut zuverlässige Hintergrundausblendung.
Wenn die Detektionsenfernung einmal eingestellt ist, ist es egal, ob weiter hinten ein Mensch mit Warnweste oder ein Edelstahlblech in den Lichtstrahl geraten. Zudem ist die garantierte Tastweite für einen derart kompakten Sensor mit zwei Meter schon beachtlich. Noch interessanter wird es, weil ifm diesen Wert auf allen Farben und Oberflächen garantiert – schwarze und reflektierende mit inbegriffen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Auftreffwinkel des Lichtstrahls auf die Objektoberfläche kaum ins Gewicht fällt. Das bedeutet: Der Kunde kann das Produkt mit einem flachen Winkel zum Objekt ausrichten, während der Winkel bei einem Standardsensor in der Regel ungefähr 90 Grad betragen muss. Zusammen mit der Tastweite bietet das eine viel größere Flexibilität bei der Auswahl des Montageortes.
Der beliebige Einfallswinkel sowie Tastweiten bis zwei Meter gestattet flexible Einbaupositionen und vereinfacht die Montage.
Wer nun Sorge hat, dass Geräte mit Lichtlaufzeitmessung nur von Experten eingerichtet werden können, der sei auf das mehr als simple Bedienkonzept hingewiesen: Je nach Gerät wird die Entfernung per Drehrad oder Plus-Minus-Tasten in Zentimeter oder Zoll eingestellt und fertig.
Zu guter Letzt sind die Geräte auch noch IO-Link-fähig. Darüber lässt sich der aktuelle Abstandswert auslesen oder auch der Laser abschalten, wenn er nicht benötigt wird. Wer IO-Link nicht nutzen will, nutzt den antivalenten Schaltausgang. Von ifm aus ist die typische Zielapplikation ganz klar Positionserfassung. Aber weil die PMD-Sensoren so flexibel einsetzbar sind, regen sie zu Experimenten an: Die Nutzung als Füllstandssensor bei einem Ketchup-Behälter ist bereits belegt – mit etwas Hirnschmalz lassen sich aus den Fähigkeiten der kleinen Geräte sicher noch viele andere Anwendungsideen zaubern.
Autor: Wolfgang Kräußlich, Leitender Chefredakteur
Interview mit Patric Kister, Produktmanager bei ifm Electronic
„Das perfekte Ablöseprodukt für Standardsensoren“
Patric Kister hat Elektrotechnik an der Technischen Universität in Dresden studiert, Fachbereich Automatisierungstechnik. Er ist seit 2007 bei ifm Electronic und dort als Produktmanager für optische Sensoren zuständig.
Lichtschranken sind etabliert und bewährt. Wenn sie aus den Maschinen verdrängt werden sollen, dann nur von etwas deutlich besserem. Bei ifm glaubt man nun, ein entsprechendes Produkt entwickelt zu haben. ke NEXT sprach mit dem verantwortlichen Produktmanager über die Pläne für die Zukunft.
Sie haben es mit Ihren neuen Geräten geschafft, in den Preisbereich eines Standardsensors zu kommen. Wann soll ein Ingenieur noch eine einfache Lichtschranke einsetzen?
Eigentlich sind die neuen PMD-Sensoren das perfekte Ablöseprodukt für einen Standardsensor. Die Vorteile liegen auf der Hand: Wenn der Kunde heute eine Einweglichtschranke einsetzt, weil er der Hintergrundausblendung nicht vertraut, kann er sie mit PMD-Technologie beruhigt ersetzen. Er spart Montageaufwand für den Empfänger inklusive der Halterung und der Verdrahtung. Neben einem konkurrenzfähigen Produktpreis für den PMD-Sensor spart der Kunde erheblich in Bezug auf den Systempreis für die Positionsabfrage. Das macht das Produkt sehr, sehr interessant für Applikationen im Bereich der Fördertechnik. Auch natürlich die große Reichweite. Vergleichbare Sensoren in dieser Baugröße erzielen deutlich weniger Reichweite, insbesondere auf Schwarz. Auf Schwarz bricht die Reichweite bei den meisten Sensoren sehr stark zusammen auf 500, 600 Millimeter. Unsere Geräte bleiben konstant farbunabhängig bei zwei Meter Reichweite.
Wie schaffen Sie das?
Natürlich könnten wir auf Weiß auch weiter sehen. Wenn wir aber diesen Wert angeben, gaukeln wir dem Kunden für viele Applikationen eine bessere Performance vor, als das Produkt dann in der Realität leisten kann. Wir begrenzen elektronisch unsere Reichweite auf den Wert, den wir auf schwarz erzielen können. So garantieren wir dem Kunden das, was im Datenblatt steht – unter allen Umständen. Entsprechend ist das Produkt sehr zuverlässig und auch berechenbar für den Kunden. Er weiß genau, was er kauft.
Planen Sie von dieser Sensor-Reihe weitere Bauformen und Baugößen?
Ja, die PMD-Technologie in der Form, wie wir sie heute haben, bringt das Potenzial mit sich, dass wir noch deutlich kompakter bauen können. In Zukunft wollen wir noch wesentlich kleinere und kompaktere Bauformen mit PMD-Technologie ausstatten. Die Geräte sollen dabei natürlich immer performanter werden, also noch mehr Reichweite ermöglichen. Generell sind die beiden Modelle OID und O5D erst der Anfang unserer PMD-Baureihe. Die wird noch kräftig erweitert.
In welche Richtung?
Es werden Wet-Line-Varianten in Edelstahl für den Lebensmittelbereich folgen. Kompaktere Bauformen und hochgenaue Varianten sind in Planung, in Vorbereitung, allerdings natürlich noch nicht in den nächsten Wochen oder Monaten. Das ist unsere Zukunftsaussicht auf die nächsten zwei, drei Jahre. Es ist der Weg, auf den wir uns mit der PMD-Technik begeben haben. Sie soll die Standard-Technik ablösen.
Sind die beiden neuen Geräte bereits lieferbar?
Wir haben die Produkte auf der Hannover-Messe gelauncht und mittlerweile schon viele, viele Sensoren ausgeliefert. Die Nachfrage ist jedoch deutlich höher, als bei uns im Hause zunächst gedacht wurde. Die Produktion der Sensoren läuft bereits auf Hochtouren, um alle Bestellungseingänge so schnell wie möglich ausliefern zu können. wk