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Transparente Objekte zuverlässig erfassen

01 Viele Sensoren haben Schwierigkeiten bei der Detektion von transparenten Scheiben über einer Rollenbahn, da Glas eine hohe Durchlässigkeit für sichtbare bzw. Infrarotstrahlung hat. Für den Optosensor OR270488, der mit UV-Licht arbeitet, ist dies kein Problem (Bild: Ipf Electronic GmbH)

01 Viele Sensoren haben Schwierigkeiten bei der Detektion von transparenten Scheiben über einer Rollenbahn, da Glas eine hohe Durchlässigkeit für sichtbare bzw. Infrarotstrahlung hat. Für den Optosensor OR270488, der mit UV-Licht arbeitet, ist dies kein Problem (Bild: Ipf Electronic GmbH)

02 Auch bei der zuverlässigen Erfassung von PET-Flaschen in schnell laufenden Prozessen, wie sie aus der Getränkeindustrie bekannt sind, kann der OR270488 u. a. mit einer Schaltfrequenz von ≤1 kHz punkten

02 Auch bei der zuverlässigen Erfassung von PET-Flaschen in schnell laufenden Prozessen, wie sie aus der Getränkeindustrie bekannt sind, kann der OR270488 u. a. mit einer Schaltfrequenz von ≤1 kHz punkten

03 Durch seine kompakte Bauform – hier im Vergleich mit einem Streichholz – ist der neue Optosensor von Ipf Electronic einfach zu integrieren

03 Durch seine kompakte Bauform – hier im Vergleich mit einem Streichholz – ist der neue Optosensor von Ipf Electronic einfach zu integrieren

Die zuverlässige Erfassung von transparenten Gegenständen sowie Materialien ist sowohl für konventionelle optische Sensoren als auch für Ultraschallsensoren keine leichte Aufgabe. In der Praxis müssen Anwender einige Herausforderungen meistern, wenn sie zufriedenstellende Ergebnisse erhalten wollen. Eine Alternative bietet nun eine neue Sensortechnologie, die mit kurzwelligem UV-Licht arbeitet.

Für die Erkennung transparenter Objekte werden zumeist entweder mit Rot- bzw. Infrarotlicht arbeitende optische Sensoren (wie zum Beispiel Reflex-Lichtschranken) oder aber Ultraschallsensoren eingesetzt. Beide Verfahren haben sich bewährt, aber auch ihre Tücken.
Das Teachen konventioneller Optosensoren erfolgt meist nach dem Zwei-Punkt-Verfahren. Hierbei werden die Geräte zunächst ohne Objekt zwischen Reflektor und Sensor sowie anschließend mit einem zu erfassenden Gegenstand in der Lichtschranke geteacht. Aus den hieraus resultierenden Grenzwerten ermittelt der Sensor schließlich automatisch eine Schaltschwelle.
Transmissionsgrad erschwert Erkennung
Der Einsatz solcher Lösungen wird in der Praxis jedoch durch den sogenannten Transmissionsgrad von transparenten Objekten für sichtbare Strahlung erschwert. So hat Glas beispielsweise einen hohen Transmissionsgrad und somit eine hohe optische Durchlässigkeit für Licht im sichtbaren Bereich (Bild 1). Da auch Rotlicht respektive Infrarotlicht ein transparentes Objekt durchdringen kann, je nach Transmissionsgrad des Materials bis annähernd 100 %, erzeugt ein durchsichtiger Gegenstand nahezu keine optische Dämpfung des Sensors. Das Resultat: Die Schaltschwelle eines herkömmlichen optischen Sensors ist in einem solchen Fall extrem niedrig, sodass sich seine Ansprechempfindlichkeit nahe in dem Bereich bewegt, bei der sich kein Objekt innerhalb der Lichtschranke befindet.
Hohe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung
Aus diesem Grunde kommen zur Detektion transparenter Objekte in der Regel Optosensoren mit einer sehr hohen Empfindlichkeit zum Einsatz, da sie schon auf kleinste Bedämpfungen des optischen Systems reagieren. Dadurch sind solche Geräte jedoch auch sehr empfindlich gegenüber Verschmutzungen. Je nach ermittelter Schaltschwelle besteht daher das Problem, dass ein optischer Sensor selbst bei geringster Verschmutzung, beispielsweise einem für das bloße Auge kaum erkennbaren Staubfilm auf dem Sender bzw. Reflektor, bedämpft wird und somit schaltet, obwohl sich kein zu detektierendes Objekt innerhalb der Lichtschranke befindet. Der Betrieb von hochempfindlichen optischen Sensoren zur Erfassung transparenter Objekte kann daher unter den beschriebenen Umgebungsbedingungen mitunter aufwendig sein, da er entweder mit regelmäßigen Kontrollen der Sensoroptik bzw. des Reflektors verbunden ist, oder aber eine Reinigung der entsprechenden Komponenten dann notwendig macht, wenn das System aufgrund von Verschmutzungen offenkundig Fehlfunktionen aufweist.
Herausforderung dünne, transparente Materialien
Ultraschallsensoren, genauer Ultraschallschranken, haben die beschriebenen Nachteile bzw. Probleme im Hinblick auf die Schaltschwelle im Grunde nicht, da sie in der Lage sind, sämtliche Gegenstände zu detektieren, die Schall reflektieren. Als Einweg-Schrankensystem bestehen Ultraschallschranken aus einem Sender und Empfänger. Wird der Schallweg zwischen Sender und Empfänger durch ein transparentes Objekt unterbrochen, wechselt der Schaltausgang im Empfänger sein Signal.
Auch mit Blick auf mögliche Verschmutzungen sind Ultraschallschranken im Gegensatz zu optischen Sensoren vergleichsweise unempfindlicher. Dennoch sollten bei der Montage von Sender und Empfänger Einbaulagen vermieden werden, die zu stärkeren Schmutzablagerungen oder Wassertropfen auf der Sensoroberfläche bzw. dem sogenannten Schallwandler führen.
Ultraschallsensoren haben typischerweise eine Schaltfrequenz von 150 Hz und eignen sich daher für Applikationen mit relativ schnell laufenden Prozessen, zum Beispiel die Erfassung transparenter Flaschen aus Glas oder PET in der Getränkeindustrie. Bewegen sich die zu detektierenden Gegenstände jedoch mit extrem hoher Geschwindigkeit durch den Erfassungsbereich, begrenzt die für Ultraschallschranken schon hohe Schaltfrequenz die Prozessgeschwindigkeit (Bild 2).
Zudem haben Ultraschallschranken Schwierigkeiten bei der Erkennung von sehr dünnen Materialien, die über eine gewisse Eigenschwingung verfügen. Beispielsweise muss man bei transparenten Folien unbedingt darauf achten, dass das Material zwischen Sender und Empfänger ausreichend gespannt ist. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Schallimpuls des Senders über die Luftmoleküle auch die zu erfassende Folie in Schwingung versetzt, sodass der Signalverlauf zwischen Sender und Empfänger nicht unterbrochen wird und der Empfänger somit nicht schaltet.
Sichere Detektion mit extrem kurzwelligem Licht
Eine sinnvolle Alternative zu den genannten Systemen stellt der optische Sensor OR270478 von Ipf Electronic dar, der mit extrem kurzwelligem UV-Licht (Wellenlänge 275 nm) arbeitet. Im Vergleich dazu hat das sichtbare Rotlicht bzw. Infrarotlicht von herkömmlichen optischen Sensoren eine Wellenlänge von rund 700 nm bzw. 880 nm. Aufgrund der niedrigen Wellenlänge des OR270478, haben durchsichtige Objekte nicht mehr die Eigenschaft von Transparenz, sondern werden vielmehr wie völlig undurchsichtige Gegenstände detektiert. Für den Sensor hat der weiter oben beschriebene Transmissionsgrad von transparenten Objekten für sichtbare Strahlung und die damit verbundenen Herausforderungen für konventionelle Optosensorik somit keinerlei Relevanz.
Im Gegensatz zu den bislang erhältlichen optischen Sensorsystemen benötigt er daher keine hohe Empfindlichkeit zur Ermittlung einer eindeutigen Schaltschwelle. Befindet sich ein transparentes Objekt zwischen Sensor und Reflektor, ist der Signalhub im Vergleich zur freien Lichtschranke (kein Objekt im Erfassungsbereich) entsprechend hoch, woraus u. a. der entscheidende Vorteil entsteht, dass das Gesamtsystem auch unempfindlich auf Verschmutzungen reagiert.
Selbst dünne, transparente Folien erkennt der OR270478 zuverlässig, wobei sich die im Zusammenhang mit Ultraschallschranken schon dargestellte Problematik bei der Detektion solcher Materialien erst gar nicht ergibt. Da der Sensor zudem mit einer hohen Schaltfrequenz von ≤ 1 kHz aufwarten kann, übertrifft er Ultraschallsensoren in puncto Schnelligkeit um nahezu den Faktor 10.
Spezieller Reflektor
Mit einer Baugröße von nur 37 mm × 10 mm × 20 mm lässt er sich zudem auch in Applikationen mit beengten Platzverhältnissen problemlose montieren (Bild 3). Zu den weiteren technischen Eigenschaften gehören u. a. ein Ausgangsstrom (max. Last) von 100 mA, ein Abstandsbereich von 40 mm bis 1 200 mm zum Reflektor, die Schutzart IP67 sowie eine IO-Link-Schnittstelle zur einfachen Integration ins Industrial Ethernet.
Der Reflektor des neuen Systems unterscheidet sich von bislang bekannten Reflektoren durch eine frontseitige Schutzabdeckung mit einer speziell beschichteten und für das UV-Licht des OR270478 durchlässigen Oberfläche. Herkömmliche Reflektoren können mit dem neuen Sensor nicht verwendet werden, da sie eine Abdeckung haben, die nur sichtbares Licht passieren lässt.
Zwei Teachvarianten
Beim Teachen des OR270478 hat der Anwender die Wahl zwischen einer schnellen und einer besonders zuverlässigen Lösung. Die besten Ergebnisse erzielt die neue Sensorlösung von Ipf Electronic mit dem Teachen nach dem Zwei-Punkt-Verfahren, wobei die Teachtaste des Geräts zunächst bei freiem Blick auf den Reflektor und anschließend mit einem transparenten Objekt im Strahlengang betätigt wird. Zu berücksichtigen ist hierbei allerdings, dass das kurzwellige UV-Licht auf dem Objekt nicht zu sehen ist. Dieses Verfahren empfiehlt sich insbesondere, wenn Folien sicher erfasst werden sollen sowie bei Umgebungsbedingungen, in denen Schmutz oder Wasser die Detektion erschweren können. Möchte man stattdessen dickere transparente Materialien aus Glas oder Kunststoff erfassen, wie Flaschen oder Behälter, dann reicht in der Regel eine einmalige Betätigung der Teachtaste bei freiem Blick auf den Reflektor aus (Ein-Punkt-Verfahren). (no)

Christian Fiebach ist Geschäftsführer der Ipf Electronic GmbH in Lüdenscheid. ch.fiebach@ipf.de

Christian Fiebach ist Geschäftsführer der Ipf Electronic GmbH in Lüdenscheid. ch.fiebach@ipf.de