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Anwesenheitserfassung im Hochtemperaturbereich: Faseroptische Sensoren in der Metallindustrie
Inhaltsverzeichnis
In automatisierten Prozessen der Metallverarbeitung stellt die notwendige Anwesenheitserfassung der Werkstücke häufig hohe Anforderungen an die Sensorik, da diese auch dort erforderlich ist, wo es am wenigsten zugänglich und am heißesten ist: direkt am glühenden Material zwischen Walzgerüsten, unter dem Schmiedehammer, an der Schere oder im Glühofen. Bedingungen, unter denen klassische optische oder induktive Sensoren nicht mehr in Frage kommen.
Faseroptische Sensoren lösen dieses Problem, indem sie die empfindliche Elektronik vom eigentlichen Messpunkt trennen und nur eine hitzebeständige Glasfaser dem Hochtemperaturbereich aussetzen.
Dieser Artikel erklärt, warum faseroptische Sensoren für Hochtemperaturbereiche besonders geeignet sind, warum Standardsensorik hier an ihre Grenzen stößt, und zeigt typische Einsatzbereiche in Warmwalzwerken, Schmiedemaschinen, Trennmaschinen und Glühöfen.
Warum faseroptische Sensoren für Hochtemperaturbereiche?
Ein faseroptischer Sensor überträgt das von der im – entfernt von der Messstelle platzierten – Sensor integrierten Lichtquelle emittierte Licht an den eigentlichen Messort und die empfangenen Lichtsignale an dessen Empfangs- und Auswerteeinheit zurück. Nur das Faserende – bestehend aus Glasfasern und hitzebeständigem Metall – befindet sich tatsächlich in der Hochtemperaturzone; die eigentliche, temperaturempfindliche Elektronik kann mehrere Meter entfernt an einer kühleren, gut zugänglichen Stelle montiert werden.
Das bringt in der Praxis mehrere Vorteile:
- Die empfindliche Elektronik ist vor Hitze, Strahlungswärme und Verschmutzung geschützt
- Das Faserende ist sehr kompakt und lässt sich auch in engen Zwischenräumen, etwa zwischen Walzgerüsten, platzieren
- Faseroptiken sind bei Beschädigung separat austauschbar, ohne den gesamten Sensor tauschen zu müssen
- Die Übertragung über Licht ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern, wie sie etwa bei Induktionserwärmung auftreten
Warum reicht Standardsensorik in diesen Bereichen nicht aus?
Mehrere Faktoren treten in der Metallindustrie gleichzeitig auf und stellen Standardsensorik vor besondere Herausforderungen:
- Eigenstrahlung des Materials: Glühendes Metall emittiert selbst intensives Infrarotlicht, das viele Standardsensoren als Störsignal oder Fehlsignal interpretieren
- Hohe Umgebungstemperatur: Elektronik in Sensorgehäusen, die direkt am Messpunkt sitzt, überschreitet in diesen Bereichen schnell ihre zulässige Betriebstemperatur
- Zunder, Staub und Kühlwasserdampf: Verschmutzung der Optik durch Walzzunder oder Dampf aus Kühlsystemen
- Vibration und mechanische Belastung: Erschütterungen durch Walzgerüste, Pressen, Scheren und Transportsysteme
- Beengte Platzverhältnisse: Zwischen Walzgerüsten oder unter Pressen ist oft kein Platz für konventionelle Sensorgehäuse samt Elektronik
Ein Sensor für diese Bereiche muss also nicht nur hitzebeständig sein, sondern auch mit der Eigenstrahlung des Materials umgehen können und dabei kompakt genug bauen, um überhaupt montiert werden zu können.
Einsatzbereiche in der Metallindustrie
Warmwalzwerke
Zwischen den Walzgerüsten muss zuverlässig erkannt werden, ob sich das Walzgut an der erwarteten Position befindet – etwa zur Freigabe des nächsten Gerüsts, zur Erkennung von Stau oder zur Positionsmeldung an Weichen. Die enge Bauweise und die Nähe zu glühendem Material Leistungsstarke faseroptische Sensoren sind hier besonders geeignet, weil sie größeren Abstand der Faserköpfe zum glühendem Material ermöglichen und aufgrund der geringen benötigten Einbauraums auch in den häufig beengten Bereichen zwischen den Gerüsten installiert werden können.
Schmiedemaschinen
Vor dem eigentlichen Umformvorgang muss erkannt werden, ob sich ein glühender Rohling korrekt unter Hammer oder Presse befindet, bevor der Arbeitshub ausgelöst wird. Eine zuverlässige Anwesenheitserfassung verhindert Leerhübe und schützt Werkzeug und Maschine vor Schäden durch einen fehlpositionierten oder fehlenden Rohling.
Trennmaschinen und Scheren
Vor dem Schnitt muss sichergestellt sein, dass sich Stangenmaterial oder Knüppel tatsächlich in der Schere befinden und korrekt positioniert sind. Faseroptische Sensoren erkennen die Materialanwesenheit auch bei noch hoher Temperatur unmittelbar nach dem Walz- oder Schmiedeprozess zuverlässig und verhindern damit Leerschnitte oder Fehlauslösungen der Schere.
Glühöfen
Beim Ein- und Austritt von Material in Glühöfen – etwa bei Hauben-, Durchlauf- oder Kammeröfen – muss die Materialanwesenheit erkannt werden, um Transport- und Ofensteuerung exakt zu synchronisieren. Da die Temperaturen direkt am Ofeneintritt oder -austritt besonders hoch sind, ist eine faseroptische Lösung hier oft die einzige praktikable Möglichkeit, den Messpunkt so nah am Prozess zu platzieren, wie es die Anwendung erfordert.
Stranggussanlagen
Unmittelbar nach dem Austritt aus der Kokille sowie entlang der Kühlzonen der Stranggussmaschine muss erkannt werden, ob der Strang tatsächlich durchgehend vorhanden ist und die erwartete Position durchläuft – etwa zur Freigabe der nachfolgenden Rollgänge, zur Erkennung eines Strangabrisses oder zur Synchronisation mit der Trennmaschine am Ende des Gießstrangs. Direkt an der Kokille und in den ersten Kühlzonen herrschen dabei besonders intensive Strahlungswärme und teils erhebliche Dampfentwicklung durch die Sekundärkühlung – Bedingungen, unter denen konventionelle Sensorelektronik kaum dauerhaft betrieben werden kann. Auch hier erlauben es leistungsstarke faseroptische Sensoren, das eigentliche Elektronikmodul außerhalb dieser Zone zu platzieren und nur das kompakte, hitzebeständige Faserende in akzeptabler Strangnähe einzusetzen.
Weitere Bereiche
Auch an Stranggussanlagen, an Induktionserwärmungsstrecken oder an Transferstraßen zwischen einzelnen Umformschritten kommt dasselbe Grundprinzip zum Einsatz: Anwesenheitserfassung unmittelbar am heißen Material, ohne dass empfindliche Elektronik direkt der Hitze ausgesetzt werden muss.
Funktionsweise faseroptischer Anwesenheitssensoren
Faseroptische Sensoren zur Anwesenheitserfassung arbeiten nach denselben Grundprinzipien wie klassische photoelektrische Sensoren, übertragen das Sende- und Empfangssignal jedoch über Lichtwellenleiter:
- Lichtschranke-Prinzip: Sende- und Empfangsfaser sind getrennt angeordnet, das Material unterbricht den Lichtstrahl zwischen beiden; besonders bei hoher, bzw. variierender Eigenemission des Materials geeignet
- Reflexionsprinzip: Sende- und Empfangsfaser sind in einem gemeinsamen Kopf gebündelt, das Signal wird vom Material selbst reflektiert; kommt bei hoher Wärmeabstrahlung des Materials an seine Grenzen
- Passiv-Sensoren: Passiv-Sensoren verfügen über keine eigene Lichtquelle, sondern werten die Eigenstrahlung glühender Objekte aus, um deren Anwesenheit zu erkennen, sind aber deutlich günstiger und robuster als Wärmekameras oder Temperatursensoren; speziell für Anwendungen bei hoher Eigenemission eingesetzt
Verfahren im direkten Vergleich
| Messprinzip | Anwesenheit wird erkannt durch: | Geeignet für: | Besonderheiten |
| Faseroptische Lichtschranke | Unterbrechung Lichtschranke | hohe und variierende Eigenemission, glühende Metalle | Messung von zwei Seiten |
| Faseroptischer Reflextaster | Auswertung Reflexion | niedrige Eigenemission, nicht glühende Metalle | Messung von einer Seite |
| Faseroptischer Passivsensor | Auswertung Eigenemission | hohe Eigenemission, glühende Metalle | Messung von einer Seite |
Vorteile faseroptischer Lösungen
- Bewährtes, robustes Messverfahren: Einfaches, zuverlässiges Messprinzip gegenüber alternativen Messtechniken (wie Wärmekamera, Temperatursensorik) mit deutlichen Kostenvorteilen
- Elektronik geschützt: Die eigentliche Auswerteelektronik bleibt außerhalb der Hochtemperaturzone
- Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern: Vorteilhaft in der Nähe von Induktionserwärmung oder Antrieben
- Kompakte Bauform am Messpunkt: Ermöglicht Montage auch in sehr beengten Bereichen
- Geringere Folgekosten bei Beschädigung: Faseroptik und Sensor lassen sich separat austauschen
- Flexible Verlegung: Die Glasfaser lässt sich auch durch enge oder gekrümmte Kabelwege führen
Auswahlkriterien für faseroptische Anwesenheitssensoren
- Erfassungsprinzip: Faseroptische Lichtschranken-, Reflexions- oder Passiv-Sensoren je nach Eigenemission der Objekte: Faseroptische Passivsensoren für glühende Objekte; Lichtschranken bei hoher und bei variierender Eigenemission; Reflextaster bei geringer Eigenemission
- Einbausituation: Ist eine Messung nur von einer Seite, oder von beiden Seiten möglich? Sollen die Faseroptiken mit axialem oder radialem Lichtaustritt (geringerer Einbauraum) ausgeführt werden?
- Reich-, bzw. Tastweite: Wie groß muss der Messabstand sein, um die zulässige Temperaturbelastung der Faseroptikköpfe nicht zu überschreiten (d.h. wie nahe an den Messobjekten können diese montiert werden)?
- Länge der Faseroptik(en): Wie weit von der Messstelle muss die Sensorelektronik platziert werden, um ihre zulässige Temperaturbelastung nicht zu überschreiten? Welche Länge ergibt sich daraus für die Faseroptik, bzw. Faseroptik-Arme, unter Berücksichtigung der Verlegungsstrecke?
- Temperaturbeständigkeit der Faseroptiken: Maximale Dauer- und Spitzentemperatur am tatsächlichen Einbauort
- Schutzausführung der Faseroptiken: Müssen die Faseroptiken gegenüber allfälligem Flüssigkeitseintritt geschützt werden, ist ein flüssigkeitsdichter Schutzmantel erforderlich
- Steuerungsschnittstellen: Binär oder Analog-Schnittstelle? Ist ein zusätzliches Ausgangssignale zur Verschmutzungsüberwachung gewünscht?
- Mechanischer Schutz: Zusätzliche Schutzarmaturen gegen Zunder, Spritzwasser oder mechanische Belastung
- Reinigungsbedarf: Ggf. Sperrluftspülung zum Schutz der Optik vor Staub und Zunder
Ansprechzeit: Erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit für die jeweilige Maschinensteuerung
Warum wird nicht einfach die gesamte Sensorelektronik hitzebeständig ausgeführt?
Hochtemperatur-Elektronik ist generell deutlich aufwändiger und teurer und nur bis zu bestimmten Temperaturgrenzen erhältlich. Hinzu kommen die erforderlichen Messabstände, die z.B. induktive Hochtemperatur-Sensoren von Vornherein ausscheiden lassen.
Erkennen faseroptische Sensoren auch stark glühendes Material zuverlässig?
Ja, insbesondere faseroptische Lichtschranken oder Passivsensoren sind speziell dafür ausgelegt, die Eigenstrahlung glühenden Materials nicht als Störsignal, bzw. sogar als zu erkennendes Objekt zu berücksichtigen.
Können faseroptische Sensoren auch bei sehr beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden, etwa zwischen Walzgerüsten?
Ja, das ist einer der Hauptvorteile: Da nur das kompakte Faserende am eigentlichen Messpunkt sitzt, lässt sich die Sensorik auch dort platzieren, wo für ein komplettes Sensorgehäuse kein Platz wäre.
Wie beständig sind Faserenden gegenüber thermischer und mechanischer Belastung?
Das hängt von den jeweiligen Faseroptiken-Typen ab: herkömmliche Faseroptiken von Sensorik Austria sind bis 200°C Umgebungstemperatur geeignet, Spezialtypen auch darüber.
Die tatsächliche Belastung der Faseroptik kann durch die Distanz zur Wärmequelle beeinflusst werden. Daher bieten faseroptische Systeme von Sensorik Austria besonders hohe Lichtintensitäten, um auch größere Messabstände meistern zu können.
Zum Schutz vor Zunder o.ä. sind auch Faseroptiken mit Schutzgläsern erhältlich.
Faseroptische Hochtemperatur-Sensoren für die Anwesenheitserfassung von Sensorik Austria
Sensorik Austria entwickelt mit optoGuard-HT faseroptische und klassische Anwesenheitssensoren speziell für Hochtemperaturbereiche der Metallindustrie – von Warmwalzwerken über Schmiedemaschinen und Trennmaschinen bis zu Glühöfen.