Kontaktlose Niveaumessung

Sie arbeiten berührungslos, präzise und wirtschaftlich – trotzdem sind induktive Abstandssensoren für spezielle Anwendungen immer noch ein Geheimtipp. Dabei ist ihr Potenzial für intelligente Sensorlösungen in Maschinenbau, Prüftechnik und Automatisierung enorm. Induktive Distanzsensoren messen mittlerweile so genau, dass sie in vielen Fällen berührende oder sehr kostspielige Messmethoden ersetzen können – sofern auf Anbieterseite das nötige Know-how vorhanden ist. Hochpräzise Induktivsensoren können beispielsweise kostengünstig schwere Gewichte messen, platzsparend Winkel erfassen und selbst feinste Vibrationen erkennen. Ein grosser Vorteil dabei: die Messungen laufen berührungslos und verschleissfrei.
Weil kontakfreie Distanzmessung mit Induktivsensoren noch weitere Vorteile bietet, war auch die Bilz Vibration Technology AG lange auf der Suche nach einer berührungslosen Sensorlösung für ihre neue Generation von Niveauregelsystemen. Bilz bietet als innovationsfreudiger Spezialist für Schwingungsisolierung unter anderem elektronische Niveauregelsysteme für Hochpräzisionsmaschinen, erschütterungsempfindliche und hochdynamische Messmaschinen, Mikroskope, Labortische sowie Prüf- und Produktionsmaschinen in der Halbleiterindustrie an. Die elektronischen Systeme gleichen Vibrationen und Niveaufehler mithilfe von Luftfedern aktiv aus. Die Abstandsmessung zu einer Hartgesteinplatte oder der Maschine selbst spielt hierfür eine entscheidende Rolle, um Schwingungen schnell und präzise erfassen zu können. Denn mit diesen ermittelten Distanzwerten regelt die Steuerung dynamisch das Niveau der einzelnen Luftfedern. Je schneller und genauer, desto besser funktioniert die Schwingungsisolation.

Schwingungsbrücke fällt dank kontaktfreier Induktivlösung weg
Bislang setzte Bilz zur Abstandsmessung auf taktile Potenziometer. Diese ertasten mit einem beweglichen Metallstift permanent die Distanz zu der vibrierenden Grundplatte. Das funktioniert zwar sehr genau, bringt aber einen entscheidenden Nachteil mit sich. Die Metallstifte bilden durch den Kontakt zu der Grundplatte eine unerwünschte Schwingungsbrücke, die Störungen an die Luftfeder überträgt. «Diesen Störfaktor wollten wir mit einer berührungslosen Abstandsmessung mittels Induktivsensoren eliminieren», sagt Bilz-Entwicklungsleiter David Brenk.
Eine der grössten Herausforderungen bei der Suche nach einer kontaktfreien Lösung: Die gewünschten induktiven Distanzsensoren sollten den Abstand zu den metallischen Referenzpunkten so exakt messen wie die taktilen Potenziometer. Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen – 13 mm Reichweite bei einer Auflösung von <5 Mikrometer mit stabiler Linearität –, war ein Sensorspezialist gefragt, der die perfekte Kombination aus Reichweite und Auflösung aus seinen induktiven Abstandssensoren herausholen konnte.

Ermöglichen berührungslose Distanzmessung
Selbst die serienmässige Leistung des hochpräzisen AlphaProx-Sensors IR30 von Baumer reichte für diese anspruchsvolle Aufgabe nicht aus, wenn auch nur knapp. «Nach unseren ersten Auswahltests haben wir festgestellt, dass wir an dem serienmässigen Baumer-Sensor für die spezielle Applikation von Bilz Optimierungen benötigen würden», berichtet Bilz-Entwicklungsleiter David Brenk. Eine Herausforderung ganz nach dem Geschmack der Baumer Sensorspezialisten Hansgeorg Haffelt und Toni Schnorr, die Bilz den Schritt zur Distanzmessung ohne Schwingungsbrücke ermöglichen wollten. «Wir bei Baumer testen gerne die Grenzen des Machbaren aus und freuen uns, wenn wir unser Know-how und unsere Performance-Sensoren für neuartige Anwendungen kombinieren können», sagt Produkt-Marktmanager Hansgeorg Haffelt. Im Fall von Bilz hiess das: Die Baumer Induktivexperten reduzierten die Reichweite des IR30 von 18 auf 13 mm zugunsten einer noch höheren Auflösung, verkürzten wegen des engen Bauraums die Standardlänge des M30-Gehäuses und ersetzten den Stecker durch einen platzsparenden Kabelabgang.
Mit dem mittlerweile serienreifen Endergebnis ist David Brenk sehr zufrieden: «In Verbindung mit unserer neu entwickelten Steuerung können wir nun erstmals eine kontaktlos messende Elektronisch Pneumatische Niveauregelung (EPN) anbieten, die Schwingungen genauso präzise und schnell isoliert wie die berührend messenden Modelle. Die Rückstellgenauigkeit von < ±0,01 mm eignet sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in Forschung und Industrie.» Mit der neuen Generation der EPN setzt Bilz neue Massstäbe in der berührungslosen Höhenabtastung. Bilz verspricht durch die präzise Messung ohne mechanischen Einfluss deutlich verringerte Auslenkungen und Abklingzeiten im Vergleich zu den Systemen mit taktilen Potenziometern. Weitere Vorteile der zylindrischen Induktivsensoren: Sie sind dank des M30-Gewindes stufenlos höhenverstellbar und verschleissfrei.
Natürlich bleibt Bilz bei dieser Innovation nicht stehen. David Brenk arbeitet bereits an der nächsten Generation der Elektronisch Pneumatischen Niveauregelung. Diese soll durchgängig digital und smarter werden. Hier werden unter anderem IO-Link-Sensoren zum Einsatz kommen, die nicht nur die Abstandswerte erfassen, sondern für intelligent überwachten Betrieb auch Diagnosedaten liefern.

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