Lichtwellenleitersensoren

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Herrschen in der Automatisierungs- und Montagetechnik widrige Umgebungsbedingungen, dann kommen optische Komponenten wie beispielsweise Lichtschranken an ihre Grenzen. Das heißt, die Fehlerquote steigt. Zuverlässige und auch flexible Lösungen für solche Anwendungen bieten Lichtleitersensoren – sogar in explosionsempfindlicher Umgebung.

Lichtleiter-Sensoren der Serien CLS, IFA und 946

Hohe Temperaturen bis +600°C, geringe Einbaumaße und auch der Einsatz an schwer zugänglichen Stellen rechtfertigen die Verwendung von Lichtleitern und ermöglichen flexible Lösungen in der optischen Sensorik. Sie bestehen aus einem hochtransparenten Kern mit hohem und einem Mantel mit niederem Brechungsindex. Der lichtführende Kern, der aus Glas oder aus transparentem Kunststoff ausgeführt wird, dient zur Übertragung des Lichtsignals – sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht. Die Leitung des Lichtes erfolgt nach dem Prinzip der Totalreflexion. Der Durchmesser der Einzelfaser beträgt bei den Eltrotec Fasop-Lichtleitern 30, 50, 70 und 100 μm, wobei die 70 μm Faser das optimale Verhältnis zwischen Transmission (Durchlässigkeit) und Flexibilität des Lichtleiters darstellt. Da die Auswerteelektronik beziehungsweise die optoelektronischen Bauelemente separat angeordnet sind, eignen sich Lichtleiter auch für explosionsempfindliche Umgebungen. Bei einfacheren, preiswerteren Anwendungen können die Lichtleiter auch mit Kunststoff-Fasern ausgerüstet werden. Die Art der Aufgabenstellung entscheidet, ob ein Kunststoff-Lichtleiter ausreicht oder ob eine Glasfaser verwendet werden muss, wie zum Beispiel bei hohen Temperaturen, bei großen Abständen oder bei applikationsspezifischen Sendewellenlängen. Damit das Lichtsignal weiter verarbeitet werden kann, muss eine Adaption des Lichtleiters an einen Lichtleiterverstärker und einer so genannten Endhülse (Tastkopf) erfolgen. Die Adaption an den Lichtleiterverstärker dient zur weiteren Signalverarbeitung in einem Lichtleiterverstärker. Dort wird das Lichtsignal in ein elektrisches Steuersignal umgesetzt, das dann der Maschinen- oder Anlagensteuerung zugeführt werden kann. Entweder als schalt- oder als analoges Signal. Der Tastkopf stellt den optischen Kopf des Sensors dar und dient zur mechanischen Befestigung in der Anlage.

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Aufgrund der hohen Integration in allen Bereichen der Technik verlangt die Anwendung nach einer Vielfalt von verfügbaren Tastköpfen: koaxiale Lichtleiter zur Positionierung oder Vermessung von Objekten, Zeilen-Arrays zur Kanten- oder Bereichsüberwachung bis hin zu Lichtleitern mit fokussierter Optik, die auch kleinste Segmente sowie Ausbrüche an Bauteilen oder transparenten Medien im Reflex- oder Doppellichtbetrieb erkennen können.

Mit Lichtleitern können wie bei Kompaktgeräten verschiedene Abtastarten realisiert werden. Man unterscheidet zum einen den Durchlichtbetrieb, bei dem das Lichtwellenleitersystem wie eine Lichtschranke arbeitet. Der Sende- und Empfangszweig wird in einem zweiarmigen Lichtleiter realisiert. Große Arbeitsabstände, transparente Gegenstände, Flüssigkeiten, Güter mit hohen Temperaturen und glänzende Oberflächen, die durch verschiedene Winkelstellungen der Einzelarme für diese Art der Anordnung prädestiniert sind, stellen oft die einzige sichere Abtastlösung in der Automatisierung dar.

Universeller Baukasten

Das Pendant dazu ist der Reflexbetrieb, bei dem nach der Methode des Reflexionstasters gearbeitet wird. Im Reflexbetrieb ist der Sende- und Empfangszweig in einem Faserbündel gemischt; dies wird auch als koaxiale Anordnung bezeichnet.

Die Tastweiten bei diesen Betriebsarten sind weitestgehend von der Sendeleistung des Lichtleiterverstärkers und dem Durchmesser sowie der Transmission des Faserbündels abhängig. Winkelanordnungen mit um 45° oder 90° gebogenen Tastköpfen unterstützen die Flexibilität des optischen Sensorsystems zur einfachen Abfrage an schwierigen Mess-Stellen. Außerdem gestatten beliebige Bündelungen von einzelnen Fasern eine große Anzahl von Sonderausführungen. Die Eltrotec Lichtleiterserie Fasop bietet dem Anwender durch einen universellen Baukasten eine große und flexible Variantenvielfalt an Faserbündeln, verschiedenen Manteltypen und Tastköpfen. Dies sind beispielsweise Lichtleiter für den Ex-Bereich mit separaten Durchführungen, Hochtemperaturvarianten bis 600°C für Dehnungsmessungen an Turbinen sowie Quarzglastypen für den UV-Bereich. Typische Anwendungen sind die Glaserkennung an Glasschneidemaschinen und Mantelausführungen mit erhöhtem Vibrationsschutz für bewegte Lichtleiter (Roboterarme). Auch Lichtleiter mit separaten Drehüberträgern, um Signale aus rotierenden Wellen an Lichtleiterverstärker zu übertragen, sind möglich. Ein besonderes Highlight sind die Ausführungen mit Spülluftanschluss für die Überwachung der Bahnkanten im Nassbereich von laufenden Papierbahnen.

Die richtige Abstimmung

Langjährige Erfahrung zeigt, dass nur ein optimal aufeinander abgestimmtes System von Lichtleitern und Verstärkern eine erfolgreiche Lösung garantiert. Ausgehend von den Bedürfnissen des Marktes erweitert Eltrotec Sensor kontinuierlich die Palette an Lichtleiterverstärkern. Zur Verfügung stehen einfache Teach-In-bedienbare Versionen der Serien 946, 966 und 989, die mit Kunststofflichtleitern arbeiten und durch sehr kleine Bauweise auf DIN-Schienen-Montage kaskadierbar sind.

Hervorzuheben ist hier eine Version mit vier Lichtleiter-Eingängen, die mit Und/Oder-Verknüpfung aus bis zu vier Abfragestellen ein komplexes Signal der SPS zur Verfügung stellt. Die Mess- und Prüf-Verstärker der Serie CLS-K und IFA lassen Messfrequenzen von vier bis acht KHz zu, können Auflösungen ab 0,1 mm generieren und werden als Rotlicht-, Infrarot- oder UV-Licht-Typen ab einer Wellenlänge vom 280 nm angeboten. Diese Serien bieten 0 bis zehn VDC, vier bis 20 mA, potentialfreie Ausgänge oder Relais-Ausführungen, Anzeigedisplays und variable Verstärkungseinstellungen. Spezialtypen mit kompensiertem Temperaturgang (ΔK ≤ 0,05%/°C Drift) für Tief- oder Hochtemperatur-Anwendungen bei IP67-Schutzklasse sind ebenfalls vorhanden. Im Durchlichtbetrieb werden Tastweiten von 200 Millimeter und Reichweiten von 2.000 Millimeter erreicht.

Die hohe Flexibilität und Funktionalität des Sensorsystems CLS-K/IFA und der Fasop-Lichtleiter erschließen eine große Anzahl von Anwendungen in der Automatisierungstechnik. Anwesenheitskontrolle und Lageerkennung von Teilen, Prüfaufgaben, Positions- und Montagekontrolle an Montageautomaten und Zuführsystemen oder die Bahnkantenerfassung und -regelung stellen nur einen kleinen Querschnitt der Einsatzfelder dar. Der Einsatz von Glas- beziehungsweise Kunststofflichtleitern in Verbindung mit der Verstärkerserie CLS-K/IFA geben dem Anwender ein hohes Potenzial an Wertschöpfung seines Systems. Ergänzend zu den Anwendungen in der optischen Sensorik, eignen sich Lichtleiter hervorragend für Beleuchtungsaufgaben. Dort stehen dem Kunden neben den Lichtleitern der Serie Fasop eine große Anzahl von Lichtquellen zur Verfügung. Bernd Hendrych, Eltrotec / st

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