Dimetix: Laserdistanzsensoren mit scharfem Blick auf heißen Stahl

Anwendungen, bei denen für Positionier-, Vermessungs- oder Überwachungsaufgaben große Distanzen mit hoher Genauigkeit und möglichst schnell gemessen werden sollen, gibt es viele.

Trotz der rauen Umgebung in Stahlwerken müssen die Laserdistanzsensoren präzise und zuverlässig arbeiten. (Urheber: Istockphoto.com, zhaojiankang)

In kaum einer anderen Branche sind die Anforderungen an die eingesetzten Sensoren allerdings so hoch wie in der Stahl- und Metallindustrie. Laserdistanzsensoren müssen hier ihre Zuverlässigkeit unter härtesten Umgebungsbedingungen beweisen beispielsweise beim Transport von glühenden Stahlbrammen ebenso wie bei der Längenteilung oder bei der Füllstandskontrolle von geschmolzenem Stahl oder Eisen. Selbst die hohen Umgebungstemperaturen beim Messen auf die heißen Oberflächen dürfen den Sensoren nichts anhaben.

Heiße Abgase, hohe Umgebungstemperaturen, Ruß, Staub oder andere Verschmutzungen schaffen in der Stahlindustrie und der Metallbearbeitung anspruchsvolle Arbeitsbedingungen für die Sensorik, welche zur Distanzmessung eingesetzt ist. Trotz dieser rauen Umgebung müssen die Sensoren präzise und zuverlässig arbeiten. Mit den richtigen Schutzmaßnahmen gegen Verunreinigungen sollten Wartungsarbeiten auf ein Minimum reduziert sein, damit die Produktion reibungslos läuft und sich der zeitliche sowie personelle Aufwand für Servicemaßnahmen in Grenzen hält.



Laserdistanzsensoren für schnelle und genaue Messergebnisse bis 500 m (Urheber: Dimetix)

Aufgrund der langjährigen Erfahrung, die die Dimetix AG (vgl. Firmenkasten) mit Überwachungslösungen für Stahlwerke, Gießereien und Metallhütten gesammelt hat, sind die Laser-Distanzsensoren aus der Schweiz diesen Herausforderungen problemlos gewachsen. Sie lassen sich zudem dank des sichtbaren Lasers einfach installieren und arbeiten im großen Temperaturbereich von -40 bis +60 °C. Die Messdistanz auf Reflexionsfolie beträgt bis zu 500 m; bei natürlichen Oberflächen liegt sie bei 100 m.

Die Sensoren können deshalb auch auf glühenden Oberflächen messen. Dies machte sich zum Beispiel eine Gießerei zunutze, um den Füllstand von geschmolzenem Stahl und Eisen zu messen und damit einen Überlauf zu verhindern. Auch bei großen Abständen liegt die Messgenauigkeit bei ± 1 mm, bei einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,3 mm. Die Messgeschwindigkeit reicht bis 250 Hz bei einer Ausgaberate von 1 kHz. Dadurch eignet sich die Technik für Anwendungen mit höchsten Anforderungen und auch für zahlreiche Applikationen in der Stahlindustrie.



Um eine hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen, arbeitet das Verfahren mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. (Urheber: Dimetix)

Kollisionsschutz und Längenteilung
In einer Stahlproduktionsanlage kam es immer wieder zu Produktionsausfällen, weil die großen Transportwagen für die 60 m langen glühenden Stahlbrammen oft über ihre Pendelpositionen gerieten oder mit den Sperrstopps am Ende einer Transferlinie kollidierten. Verantwortlich dafür war eine Fehlfunktion der im Boden der Fahrstrecke montierten Mikroschalter. Heute ersetzt ein speziell für diese Anwendung konzipiertes Laser-Messsystem die fehleranfälligen Mikroschalter und sorgt durch die präzise Distanzmessung für einen reibungslosen Transportbetrieb.

Das System besteht aus zwei in Schutzgehäuse integrierten Laser-Distanzsensoren, die die Position des Transferwagens erfassen. Für eine zuverlässige und schnelle Messung wurde auf diesem die reflektierende Zieltafel von Dimetix montiert. Hinzu kam eine kleine Steuerung samt Anzeige. Im Schutzgehäuse der Sensoren hält eine Druckluftkühlung die Temperatur konstant und kühlt die Innenseite des Gehäuses. Um den Laser des Laserdistanzsensors nicht durch Staubansammlungen und Verunreinigungen auf dem Sichtfensters des Schutzgehäuse zu beeinträchtigen, wird zusätzlich ein kontinuierlicher Luftstrom über das Sichtfenster aus Borosilikat-Glas geleitet.

Ein weiteres Beispiel findet sich beim Ablängen von Metallrohren. Vorrichtungen zur Längenteilung sind in der metallverarbeitenden Industrie zwar gängige Werkzeuge und der Markt bietet zahlreiche Standardlösungen. Für viele metallverarbeitende Betriebe sind diese aber nicht geeignet, weil eine individuelle, auf ein bestimmtes Produkt angepasste Lösung erforderlich ist. Die Laserdistanzsensoren können hier helfen, Konstruktionsaufwand und Kosten für eine entsprechende Sonderlösung gering zu halten. Eine solche Lösung besteht aus einem Laserdistanzsensor, der die Entfernung zur hinteren Aufspannung misst sowie der kostenlosen Dimetix-Software für die Auswertung der Messdaten, die dann auf einer kleinen Digitalanzeige dargestellt werden. Ein PC ist nur für die Konfiguration der Messeinrichtung notwendig.



Typische Applikationen für die Laserdistanzsensoren sind zum Beispiel auch Regalbediengeräte. (Urheber: Stöcklin Logistik AG)

Kombiniertes Messverfahren: Schnell und genau
Dabei arbeiten die Laserdistanzsensoren mit einem Messverfahren, das die Vorteile von Lichtlaufzeitmessung und Phasenverschiebung kombiniert. Die Laufzeitmessung ist schnell, durch die anspruchsvolle Zeitmessung aber oft nicht ausreichend genau. Bei Distanzen von mehreren hundert Metern liegt die Auflösung üblicherweise nur im Zentimeterbereich. Alternativ wird deshalb auch die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls gegenüber dem ausgesandten Strahl ausgewertet. Da diese entfernungsabhängig ist, lässt sich die zurückgelegte Distanz ermitteln. Diese Messung ist deutlich genauer, aber durch die aufwendigere Auswertung nicht so schnell wie die reine Laufzeitmessung.

Das kombinierte Verfahren arbeitet deshalb mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet die Phasenlage und den Abstand dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale (Bursts) aus. Dabei wird der Laserstrahl in kurzen Abständen amplitudenmoduliert. Dadurch kann man sehr schnell die entfernungsabhängige Laufzeitverschiebung der einzelnen Pulspakete messen, aber auch die Phasenverschiebung der einzelnen Wellen zueinander innerhalb der modulierten Pakete. Die Sensoren messen deshalb schneller als normalerweise üblich und liefern auch bei großen Entfernungen genaue Werte. In der Stahl- und Metallindustrie finden sich zahlreiche weitere Einsatzbeispiele.




Breites Anwendungsspektrum
Dank ihrer geringen Abmessungen von 140 mm Länge, 78 mm Breite und 48 mm Höhe lassen sich die nur 350 g leichten Distanzsensoren gut in die unterschiedlichen Anwendungen integrieren. Sie werden in acht unterschiedlichen Varianten angeboten, die für spezifische Anwendungsbereiche optimiert sind und eine hohe Einsatzflexibilität bieten. Standardmäßig sind zudem eine Vielzahl an Kommunikations-Schnittstellen integriert, was die vielseitige Verwendbarkeit der Distanzsensoren weiter erhöht. Weitere Anwendungsbereiche für die Laserdistanzsensoren gibt es deshalb viele. Typische Applikationen sind zum Beispiel auch Regalbediengeräte und ASRS-Shuttles (Automatic Storage- and Retrieval-System) in Distributionszentren.




Ebenfalls werden die Geräte häufig für Füllstandsmessungen in großen Tanks bzw. Silos eingesetzt und im Maschinenbau, z.B. beim maschinellen Ablängen von Balken oder Brettern. Auch Portal- oder Hafenkräne sind auf weite Distanzmessungen mit hoher Genauigkeit angewiesen und selbst Tunnelbohrmaschinen, der Gleisbau oder das Brückenmonitoring verlangen nach solch schnellen Präzisionslösungen zur Entfernungsmessung.

www.dimetix.com

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