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Feuer und Eiseskälte trotzen

Text: Mario Holt, IFM Foto: IFM
Die Anforderungen an Automatisierungskomponenten wie Sensoren sind hoch. Sie müssen dem Anwender zahlreiche Funktionen bieten, zugleich herausfordernde Anwendungen meistern und dennoch leicht zu bedienen sein. Wie sich all diese Ansprüche in einer Produktreihe vereinen lassen, zeigt die Entwicklung von Ganzmetallsensoren.

Automatisierungskomponenten und -systeme bieten dem Anwender immer größere Funktionalität und schaffen so zusätzliche Möglichkeiten bei der Umsetzung von Lösungen. Zugleich wird aber auch mehr Spezialwissen auf Anwenderseite vorausgesetzt. Die Herausforderung in der Entwicklung von Komponenten besteht daher darin, diese so zu konstruieren, dass sie komplexe Situationen meistern und dennoch in der Bedienung unkompliziert bleiben. Was einfach klingt, wird bei einem Blick auf die Vielzahl der Anforderungen sehr anspruchsvoll. Jede Branche hat ihre Eigenheiten, die sich teilweise sogar regional unterscheiden. So gibt es zwischen der europäischen, amerikanischen und japanischen Automobilindustrie große Unterschiede in der mechanischen und elektrischen Ausgestaltung von Sensoren. Die Lebensmittelindustrie wiederum fordert ganz andere Eigenschaften. Der Einsatz eines Sensortyps in beiden Bereichen ist deshalb ausgeschlossen. �?hnlich verhält es sich mit der Werkzeugmaschinenbranche oder Ex-geschützten Bereichen. Nur eines haben alle Branchen gemeinsam: Mechanische Beschädigungen sind die häufigste Ursache für Sensorausfälle und sollten deshalb vermieden werden.

Aus Edelstahl für Edelstahl

Anlagen zur industriellen Herstellung von Lebensmitteln sind stets sauber zu halten. Regelmäßige Reinigungszyklen stellen entsprechende Hygienestandards sicher. Reinigungsmittel, hohe Temperaturen und Temperaturschocks setzen den Komponenten jedoch zu. Induktive Ganzmetallsensoren der T-Serie von IFM bilden eine Alternative zu Sensoren mit Kunststoffkappe. Ein Gehäuse aus V4A-Edelstahl und ein Dichtsystem am Steckereinsatz mit O-Ring schützen den Sensor vor aggressiven Reinigungsmitteln. Temperatureinflüsse bis 100 °C, ob dauerhaft oder schockartig, werden durch mechanische und elektrische Konstruktionen im Geräteinneren gemeistert.Bei der Entwicklung sollte man sich nicht nur auf die Erfahrungen aus dem Feld verlassen. Ebenso wichtig ist es, die Applikationsbedingungen im Testlabor nachzustellen. Normen geben hilfreiche Ansätze, zum Beispiel der Temperaturschocktest nach EN 60068-2-14 Nc. Hierbei wird ein Sensor in 50 Zyklen zwischen 0 °C kaltem Eiswasser und 100°C kochendem Wasser abwechselnd konditioniert. Wichtig bei der Durchführung: Jedes Bauteil im Geräteinneren muss den Testtemperaturen ausgesetzt sein. Dieser Stress simuliert extreme Applikationsbedingungen, wie sie in Reinigungsstraßen für Behälter und Fässer vorkommen. Ein weiterer Test ist die Temperaturwechselprüfung nach EN 60068-2-14 Nb. Dabei ist der Prüfling abwechselnd für jeweils eine Stunde den minimalen und den maximalen Umgebungstemperaturen ausgesetzt - über einen Zeitraum von 1000 Stunden.

Externe Labore testen Sensoren

Bestehen die Sensoren diese Umweltprüfungen erfolgreich, werden sie an externe Labore geschickt. Dort werden sie auf ihre Beständigkeit gegen neueste Reinigungsmittel getestet, um Rückschlüsse auf die Lebensdauer im Feld zu ziehen. Die Erkenntnisse dieser Tests fließen bei Bedarf in die Entwicklung neuer Produkte ein. Zum Beispiel in die nicht bündigen Ganzmetallsensoren von IFM. Diese Sensorfamilie hält unter allen bekannten Applikationsbedingungen die technischen Daten ein, wie ein Blick in die Näherungsschalternorm DIN EN 60947-5-2 belegt.Es heißt, die quadratische Norm-Messplatte soll eine Seitenlänge aufweisen, die dem dreifachen Bemessungsschaltabstand entspricht. Für einen Sensor der Bauform M30 mit 25 mm Schaltabstand werden demnach alle Messungen mit einer 75 �?75 mm großen Stahlplatte durchgeführt. Maschinen in der Lebensmittelindustrie werden aber vor allem durch Edelstahl geprägt und Bedämpfungselemente für Sensoren haben üblicherweise die Größe der aktiven Fläche, in diesem Beispiel also eine Kantenlänge von 30 mm. Mit den neuen Sensoren wird dem Anwender ein Produkt geboten, das den gleichen Schaltabstand auf Stahl und Edelstahl hat, mit einer moderaten Reduktion bei kleineren Targets. Das Ziel: Ein Blick in das Datenblatt soll genügen, um den Sensor zu bewerten, ohne Überraschungen bei der Inbetriebnahme zu erleben.Nicht nur die Lebensmittelindustrie hat die induktiven Ganzmetallsensoren für sich entdeckt. Metallverarbeitende Unternehmen können sie nutzen, um Schwachstellen zu beseitigen. Mechanische Beschädigungen sind die häufigste Ausfallursache für Sensoren. Kunststoffelemente an der Sensorhülle bilden in der Regel die fragilste Stelle. Ein leichter Schlag mit einem Werkstück reicht aus, das Gehäuse zu beschädigen. Wie soll also ein Ganzmetallsensor für eine so robuste Umgebung qualifiziert werden? Die Lösung ist auch hier die Simulation der Applikation durch Tests. Leider gibt die Normenlage keine Hilfestellung. Bei IFM wurden deshalb eigene Tests entwickelt.

Prüfling unter dem Hammer

In vielen Applikationen wird sowohl die Stirnfläche als auch der Rand des Sensors extremen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Im Test wird deshalb ein Metallhammer auf einer Scheibe montiert und schlägt und kratzt auf die aktive Sensorfläche. Dadurch ist ein Rückschluss auf die Lebensdauer der Sensoren im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen möglich. Nach rund 32000 Schlägen ist zum Beispiel ein M18-Sensor mit Kunststoffkappe defekt. Der Ganzmetallsensor widersteht einer 15 Mal häufigeren Belastung, rund 500000 Schläge. Ein weiterer Test ist der Schocktest: Ziel ist es, die Sensoren extremen Schocks und Vibrationen auszusetzen, wie sie vielfach an Maschinen vorkommen.Wie bei einem Hammer, der auf einem Amboss schlägt, werden hier die Sensoren gestresst. Die Ganzmetallsensoren werden in eine Halterung geschraubt, die fortlaufend auf ein massives Gegenstück schlägt. Die Belastung der Sensoren beträgt hierbei rund 1000 g. Bei diesem Test erfolgt die Montage in horizontaler sowie in vertikaler Richtung. Das Ergebnis: Die Sensoren überstehen eine Testdauer von einer Million Zyklen. Dieses Ergebnis qualifiziert sie für Applikationen, die eine hohe Schlag- und Vibrationsfestigkeit erfordern. Überall, wo Aluminium verarbeitet wird, kommt eine spezielle Anforderung an den Sensor hinzu: Späne, die an einem Werkstück anhaften, sollen ausgeblendet werden, wenn sie auf den Sensor fallen. Als Lösung wurden die Ferrous-only-Sensoren entwickelt, die nur eisenhaltige Metalle erkennen.

Eine heiße Angelegenheit

Zuden beschriebenen Anforderungen hinzu kommt im Bereich der Schweißapplikationen die Belastung durch Spritzer hinzu. Spritzendes Schweißgut haftet überall auf blankem Metall und lässt sich nur mit viel Mühe wieder entfernen. Teflonbeschichtungen kommen nicht nur in der Bratpfanne zum Einsatz, sondern schützen auch Sensoren gegen Schweißspritzer. Teflon hat jedoch auch einen wesentlichen Nachteil: Es ist wenig kratzfest. In der R-Serie von IFM kommt deshalb eine eigens entwickelte Beschichtung zum Einsatz, die Antihafteigenschaften besitzt und kratzfest ist. Erreicht wird dies zum einen durch die Kombination verschiedener Werkstoffe. Zum anderen wird die Beschichtung in einem Einbrennvorgang von weit über 200 °C aufgebracht. Damit wird erreicht, dass auch bei mechanischem Kontakt eines Werkstücks die Beschichtung auf der Sensorhülse bleibt.

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