Heiße Objekte cool erkannt

Stefan Hornung, Produktmanager optoelektronische Sensoren bei Balluff in Neuhausen

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) sendet an seiner Oberfläche eine von seiner Eigentemperatur abhängige elektromagnetische Strahlung aus. Ein Teil davon ist Infrarotstrahlung, die sich besonders zur Temperaturerfassung eignet. Sensoren nach diesem Prinzip arbeiten berührungslos und rückwirkungsfrei. Sie eignen sich deshalb bestens für Einsatzgebiete in Gießereien, Schmieden, Stahlwerken, in der Keramik-Industrie oder in Glashütten. Jetzt gibt es erstmals einen Infrarot-Temperatursensor mit IO-Link-Schnittstelle, das praxisgerechte Möglichkeiten für die Kommunikation zwischen Anlagensteuerung und Temperaturmessung erschließt.

Mit Infrarot-Temperatursensoren lassen sich heiße Objekte auch in unzugänglichen Umgebungen überwachen. Daher ist der Wunsch naheliegend, diese Sensoren auch von der Leitwarte aus parametrieren zu können. Bei einem Produktwechsel beispielsweise muss dann kein Mitarbeiter zum Sensor, um vor Ort Einstellungen zu verändern. Meist ist das ohnehin nur bei kalter Anlage möglich. Ein Zugriff aus der Ferne spart also Zeit und erhöht die Produktivität, weil die Anlage nicht mehr zum Abkühlen heruntergefahren werden muss. Mit dem Infrarot-Temperatur Sensor BTS hat Balluff auf diese Anforderungen nun mit einer praxisgerechten Lösung reagiert. Neben zwei Schaltausgängen bietet das Pyrometer im robusten M30-Edelstahlgehäuse der Schutzart IP67 eine IO-Link-Schnittstelle für den direkten Datenaustausch mit der Steuerung oder der Leitwarte. Als Option gibt es auch einen analogen 4…20-mA-Ausgang.

Eine Optik fokussiert die vom Messobjekt ausgehende Wärmestrahlung auf eine Fotodiode als Infrarotdetektor, die sich für Temperaturen im Bereich von 250 bis 1250 °C eignet. Dabei werden die Strahlen durch Blenden begrenzt, sodass ein präziser Messfleck auf dem Objekt entsteht. Eventuell auftretende Störstrahlung wird mittels eines Spektralfilters bereits an der Optik geblockt. Der Infrarotdetektor wandelt dann die auftreffende Strahlung in ein elektrisches Signal um. Dieses wird in einem digitalen Signalprozessor verarbeitet, der das Ausgangssignal dann an einer IO-Link-Schnittstelle zur Verfügung stellt. Diese Schnittstelle ermöglicht zudem eine Parametrierung des Sensors z.B. von der übergeordneten Steuerung oder dem Leitstand. Bei einem Produktwechsel lassen sich alle notwendigen Einstellungen aus der Ferne vornehmen; gleichzeitig vereinfacht sich durch IO-Link auch – falls doch einmal notwendig – der Austausch eines Sensors, weil sich alle Parameter direkt auf das Ersatzgerät übertragen lassen.

Typische Aufgaben, die sich während des Anlagenbetriebs aus der Ferne bewältigen lassen, sind beispielsweise das Einstellen des materialabhängigen Emissionskoeffizienten oder die Wahl des Auswerteverfahrens. Eine Mittelwertbildung dient zur Stabilisierung des Temperaturwerts unter extremen Umgebungsbedingungen. Dabei wird die vorgegebene Anzahl der letzten Messergebnisse zu einem gleitenden Mittelwert verrechnet. Bei einer Spitzenwerterkennung wird ein lokales Maximum des Ausgangssignals für eine einstellbare Anzahl an aufeinanderfolgenden Messungen gehalten, z.B. um partielle Verzunderungen auf glühendem Stahl auszublenden. Die Schaltfrequenz beträgt 100 Hz; dadurch ist die Temperaturerfassung auch bei Objekten möglich, die sich relativ schnell bewegen. Die Auflösung liegt bei 10 °C.

Über die IO-Link-Schnittstelle lässt sich zudem jederzeit auch der Device-Status abfragen. Ereignisse wie Übertemperatur, Unterspannung etc. liefern dann zusätzliche Informationen über aktuellen Umgebungsbedingungen. Die Temperaturerfassung liefert damit einen wichtigen Beitrag zu Industrie 4.0, denn die vom Sensor über die IO-Link bereitgestellten Informationen über die Umgebungsbedingungen lassen sich ebenso protokollieren und dokumentieren wie die Temperaturwerte der heißen Objekte.

Die Fernbedienung und Device-Abfrage über IO-Link ist im Betrieb hilfreich. Bei der initialen Ausrichtung im Einrichtbetrieb sind aber auch komfortable, möglichst intuitive Bedienmöglichkeiten direkt am Sensor gefragt. Als erster Sensor ist er zusätzlich zu drei Bedientasten mit einem großen, übersichtlichen Klartextdisplay ausgestattet. Das logisch aufgebaute Bedienmenü, die grafische Darstellung, eindeutige Piktogramme und gut verständliche Klartextanweisungen erleichtern die Vor-Ort-Einstellungen.

Das Display richtet sich zudem wie bei einem Smartphone automatisch aus und lässt sich dadurch in jeder Position gut ablesen und bedienen, gleichgültig wie der Sensor montiert ist. Im Einrichtbetrieb sind damit alle notwendigen Werte schnell eingegeben, z.B. der Emissionskoeffizient. Er ist ein Maß für die Fähigkeit der Objekte, infrarote Strahlung abzustrahlen. Der entsprechende Wert kann auch per Tastendruck im Teach-In-Verfahren eingelernt werden, wenn die Objekttemperatur bekannt ist. Das ist meist einfacher als den Emissionskoeffizienten genau zu bestimmen.

Eine Vielzahl an praxisgerechtem und industrietauglichem Zubehör schützt den Sensor auch bei extremen Einsatzbedingungen bestmöglich. Ein Display-Schutz sorgt beispielsweise dafür, dass Funken oder glühende Teilchen keine Schäden verursachen. Die Linse lässt sich mit Schutzmutter und Lufttubus vor Schmutz und Beschädigung schützen. Der Lufttubus verhindert außerdem, dass Rauch oder Dämpfe die Erfassung beeinträchtigen. Mit dem M30-Haltewinkel oder dem runden Sensorhalter ist die Befestigung der Sensoren an der Anlage einfach. Ebenfalls für die rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt sind die IO-Link-Master aus Zink-Druckguss und die passenden Kabel. Hier schützt ein Edelstahlgeflecht die Adern vor mechanischen Beschädigungen und Wärme. Die Standzeiten der Sensoren lassen sich mit dem darauf abgestimmten Zubehör auch bei extrem widrigen Bedingungen deutlich verlängern. Dadurch kommt es seltener zu Anlagenstillständen und Produktionsausfall. ge