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Berührung nein – Erfassung ja

Prinzip und Anwendung praxisbewährter Industrie-Sensoren
Berührung nein – Erfassung ja

Das Kürzel Bero steht bei dem hier vorgestellten Unternehmen für „Berührungsloser Endtaster mit rückgekoppeltem Oszillator“ und umfaßt dessen komplettes Näherungsschalterprogramm: Induktive, kapazitive, optische und Ultraschallsensoren verrichten ihre Dienste weltweit in modernen Industrieanlagen. Lager- und Fördertechnik sind die größten Anwender optischer Geräte; über diese informiert zusammenfassend der vorliegende Fachbeitrag.

Der Autor Dipl.-Ing. (FH) Franz Aniol ist Mitarbeiter der Siemens AG, Erlangen

Die optischen Näherungsschalter werden in drei Grundarten angeboten, die nach verschiedenen Prinzipien arbeiten: als Reflexions-Lichttaster ohne und mit Hintergrundausblendung, als Reflexions-Lichtschranke und als Einweg-Lichtschranke. Bei Reflexions-Lichttastern und bei Refle-xions-Lichtschranke befinden sich Lichtsender und -empfänger im selben Gehäuse, bei der Einweg-Lichtschranke in getrennten Gehäusen.
Fehlerfreie Auswertung
Die Opto-Bero arbeiten grundsätzlich mit moduliertem und polarisiertem Licht. Die Modulation wird durch kurzzeitiges Aktivieren des Senders und Abschalten mit einer Frequenz von 5 bis 30 kHz bewerkstelligt. Die Polarisation wird durch den Einsatz eines Polarisationsfilters im Lichtsender durchgeführt; der Lichtempfänger ist so konzipiert, daß nur das polarisierte Licht fehlerfrei ausgewertet wird. Diese beiden Maßnahmen schützen die Optosensoren vor dem Einfluß fremder Lichtquellen, wie z.B. Sonnen-einstrahlung oder auch Fabrikbeleuchtung.
Bei Reflexions-Lichttastern wird das abgetastete Objekt als Reflektor benutzt. Wenn der Lichtstrahl des Senders das Objekt getroffen hat, wird er von ihm diffus reflektiert. So erreicht ein Teil des gesendeten Lichts den Empfänger, der abhängig von der zusätzlich empfangenen Lichtstärke den digitalen Ausgang steuert. Die Reichweite des Reflexions-Lichttasters ist von der Größe, Farbe und der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts abhängig: Sie ist um so größer, je größer, heller und glatter das Objekt ist. Eine besondere Ausführung von Lichttastern, die nur Objekte erkennen, welche sich innerhalb eines definierten Tastbereiches befinden, werden als Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung bezeichnet.
Anpassung der Reichweite
Reflexions-Lichtschranken bilden immer ein Paar mit dem Tripelspiegel-Reflektor, der das vom Lichtsender gesendete polarisierte Licht um 90 Grad dreht. Der Lichtempfänger kann nur das gedrehte Licht sauber erkennen. Somit wird die Abtastung vor dem Fremdlichteinfluß bewahrt. Wenn ein Objekt den Weg des Lichtstrahls unterbricht, wird das Ausgangssignal entsprechend geschaltet. Die Reflexions-Lichtschranke bietet eine größere Reichweite als der Reflexions-Lichttaster und ist von der Farbe und der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts unabhängig.
Sender und Empfänger einer Einweg-Lichtschranke bilden eine Lichtstrecke. Ob der Lichtstrahl die Strecke frei passiert oder unterbrochen wird, meldet das Ausgangssignal am Empfänger. Mit der Einweg-Lichtschranke kann die größte Reichweite erreicht werden. Bei Bedarf kann die Empfindlichkeit der Opto-Elektronik mit einem ins Gerät eingebauten Potentiometer eingestellt werden. So wird die Reichweite optimal der jeweiligen Anwendung angepaßt. Typischerweise wird die Einweg-Lichtschranke bzw. die Reflexions-Lichtschranke mit maximaler Empfindlichkeit betrieben, der Reflexions-Lichttaster dagegen wird so eingestellt, daß das abzutastende Objekt sicher erfaßt wird.
Ausgangssignale
Die Opto-Bero werden mit Gleichspannung von 10 bis 36 V gespeist. Als Alternative speziell für die Fördertechnik stehen Geräte mit 20 bis 265 V AC/DC zur Verfügung. Für verschiedene Steuerungen stehen vier Ausführungen parat: Halbleiterausgänge in pnp- bzw. npn-Technik, Relais-Variante für Anwendungen mit hoher Leistung und Potentialtrennung zur Speisespannung sowie AS-Interface-fähige Sensoren für eine Anlage mit Feldbus. Die Opto-Bero arbeiten mit Schaltfrequenzen bis zu 1000 Hz, abhängig von Gehäusegröße, Speisespannung und Funktionsprinzip.
Der Zustand des digitalen Schaltausgangs wird durch das Verhalten des Opto-Bero beim Auswerten des eintretenden Lichts am Empfänger definiert: Soll der Ausgang dann durchschalten, wenn den Empfänger kein Licht erreicht, so wird die Funktion „dunkelschaltend” realisiert. Falls der Ausgang durchschalten soll, wenn Licht auf den Empfänger auftrifft, wird die Funktion „hellschaltend” realisiert. Der Zustand des Schaltausgangs wird mit einer Leuchtdiode am Gerät signalisiert und stellt eine Diagnose vor Ort dar.
Der Reflexions-Lichttaster wird meistens als „hellschaltend” eingesetzt, das Ausgangssignal meldet also, wenn ein Objekt erfaßt wird. Die Lichtschranken werden je nach Anwendung als „hellschaltend” eingesetzt, um die Förderstrecken zu überwachen, bzw. als „dunkelschaltend” eingesetzt, um die zu befördernden Objekte zu erfassen.
Um dem Anwender ausreichende Sicherheit zu garantieren, verfügen die Opto-Bero über eine „Funktionsreserve”, die den Zustand der Sendediode und der Linsen überwacht und meldet. Diese wird mit einer Leuchtdiode am Gerät optisch signalisiert und kann zusätzlich als digitales Signal an die Steuerung weitergemeldet werden. Oft wird die Funk-tionsreserve auch „Verschmutzungsmeldung” genannt und dient dem Bedienpersonal als Hinweis auf Wartungsarbeiten an der Maschine oder Anlage zwecks Vorbeugung. Für die Optimierung der Abläufe stehen bei einigen der Geräte Zeitglieder mit verschiedenen Funktionen zur Verfügung, die es ermöglichen, die Schaltausgänge im Zeitbereich von 0,01 bis 1 s festzulegen.
Bauformen
Reflexions-Lichttaster, Refle-xions-Lichtschranke, Einweg-Lichtschranke: diese drei Typen werden in verschieden Gehäuseformen gebaut, die Schutzart IP65/67 garantieren. Die Gehäusegröße und die realisierte Grundart bestimmen die Reichweite der Opto-Bero. Es gibt zylindrische Bero, die von Durchmesser 4 mm und Außengewinde M5, über M12 bis zu M18 reichen, und kubische Bero mit unterschiedlichen Abmessungen.
Ausführliche Informationen
Beru-Sensoren: induktiv
KEM 520
kapazitiv
KEM 521
optisch
KEM 522
Ultraschall
KEM 523
Lichtquellen
Jede der drei unten aufgeführten Grundarten kann mit folgenden Lichtquellen realisiert werden:
n mit sichtbarem Rotlicht (Wellenlänge von 380 bis 780 mm),
n mit unsichtbarem Infrarot Licht (Wellenlänge von 780 bis 1500 mm),
n mit Laserlicht (sehr stark gebündeltes Rot- bzw. Infrarotlicht).
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