Einsatz optischer Sensoren unter rauen Umgebungs­bedingungen

Optische Sensoren mit Laser oder Rotlicht werden in allen Bereichen der Automatisierung eingesetzt. Voraussetzung ist ein sauberes Umfeld mit wenig Staub, Schmutz und Nässe – eigentlich.
In vielen rauen Anwendungen ist der Einsatz optischer Sensoren dennoch oft unverzichtbar. Das ist zum Beispiel im bei der Stahlherstellung im Stahlwerk und der weiteren Verarbeitung oft der Fall. Dort herrscht neben den bereits genannten Umgebungsbedingungen vor allem auch große Hitze. Welche Möglichkeiten gibt es, hier einen industriellen Sensor einzusetzen?

Optische Alleskönner

Ein großer Vorteil optischer Sensoren gegenüber anderen Wirkprinzipien ist zum einen die große Reichweite und die Eigenschaft alle möglichen Materialien in gleicher Weise zu erkennen. Induktive Sensoren haben vergleichsweise kurze Schaltabstände und erkennen am besten metallische Teile. Kapazitive Sensoren erkennen bei größerer Reichweite auch andere Materialien, sind aber leichter von außen zu beeinflussen da sie auch Flüssigkeiten erkennen. Übliche kapazitive Sensoren können unter Anderem auch einfach mit dem Finger betätigt werden. Neben vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten finden optische Sensoren auch bei sicherheitsrelevanten Aufgaben ihre Anwendung.

Einsatz von Sensoren bei hohen Umgebungs­­temperaturen

Bei der Stahlherstellung finden viele Prozessschritte bei sehr hohen Temperaturen statt. Rohstahl und Eisen haben im flüssigen Zustand eine Temperatur zwischen  1400°C bis zu 1536°C.
Bei der Weiterverarbeitung des Rohstahls durch Stranggießen und Warmwalzen bewegen sich die Temperaturen des Materials noch immer zwischen 650 und 1250°C. Dies zeigt sich durch die jeweilige Glühfarbe des verarbeiteten Stahls.

Glühender Stahl beim Stranggießen
Brennschneiden in der Stranggussanlage – Foto: M.Münzl

Üblicherweise sind industrielle Optosensoren bis zu einer Umgebungstemperatur von 55-60°C ausgelegt. Diese maximale Temperatur wird in der Regel durch die Spezifikation der optischen Bauteile des Sensors wie z.B. den Laserdioden bestimmt.

Dass in einer solch extremen Umgebung der Einsatz von optischen Sensoren nicht unbedingt ratsam ist, wäre daher eine mögliche Schlussfolgerung. Nachfolgend möchte ich  Möglichkeiten erläutern, die es trotzdem erlauben, industrielle Sensoren unter extremen Umweltbedingungen zuverlässig zu betreiben.

Erkennen von glühendem Metall

Dabei setze ich allerdings voraus, dass das eigentlich zu erkennende Teil eine Temperatur kleiner 600-700°C hat. Möchte man rot- bis weißglühende Stahlteile mit Temperaturen über 700°C sicher erkennen, funktioniert dies nicht mehr mit normalen Laser- und Rotlicht-Sensoren. Der glühende Stahl emittiert dabei Licht in der selben Wellenlänge die der Sensor ausstrahlt. Daher kann die Funktion gestört werden.

Solche Anwendungen erfordern den Einsatz von Sensoren, die auf der Basis von Infrarot funktionieren. Solche Pyrometer oder Infrarot-Temperatursensoren werden in einem weiteren Beitrag behandelt.

Wie kann man optische Sensoren zuverlässig unter extremen Bedingungen betreiben?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer optischer Sensoren unter extremen Bedingungen zu gewährleisten:

  • Höhere Abstände vom Objekt
  • Regelmäßige Reinigung
  • Einsatz von Faseroptik
  • Kühlen der Sensoren
  • Mechanischer Schutz der Sensoren

Der Vorteil von optischen Sensoren, die große Reichweite, ermöglicht die Montage der Sensoren auch in einer gewissen Entfernung zum zu erfassenden Objekt. Die Strahlungswärme des Materials kann hierdurch sehr stark reduziert werden. In vielen Fällen kann man somit die Sensoren im Bereich der üblichen Raumtemperatur betreiben. In heißen Regionen der Erde, kann man hier allerdings durchaus von Umgebungstemperaturen von bis zu 50°C in der Stahlproduktion ausgehen.

Sollen die Sensoren zur Detektion relativ kleiner Objekte mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden, sind den Abständen allerdings Grenzen gesetzt.

Hierfür eignet sich der Einsatz von chemisch resistenten und temperaturfesten Faseroptiken aus Glas. Damit kann ein sehr fokussierter Lichtstrahl erreicht werden. Diese Faseroptiken können bis zu einer Temperatur von 250°C eingesetzt werden. Die Faseroptik wird auf den Sensor aufgeschraubt, dieser kann dann an einer geschützten kühleren Stelle an der Anlage montiert werden.

Glasfaser-Optiken vertragen bis zu 250°C

Kühlung von optischen Sensoren

Der Einsatz von Wasserkühlung bei Sensoren im Umfeld der Stahlherstellung ist nicht ganz einfach. Neben hohen Kosten für eine Kühlung durch sauber Instrumentenluft oder Wasser stehen auch Sicherheitsaspekte. Aufwändige gekühlte Sensorgehäuse sind teuer und meist recht groß im Vergleich zum eigentlichen Sensor. Die Gefahr von Leckage oder Schlauchplatzern der Kühlschläuche im Umfeld von flüssigem oder glühendem Stahl ist nicht zu unterschätzen.

Deshalb empfiehlt sich eine genauere Betrachtung der Anwendung, in denen optische Sensoren eingesetzt werden sollen:

  • In welchem Abstand zum heißen Objekt kann ich die Sensoren montieren.
  • Welche maximalen Temperaturen herrschen?
  • Wie lange bestehen diese Temperaturen im Regelbetrieb bzw. im Störfall?
Mehrstufiges Warmwalzgerüst

Warmwalzen von Flachstahl

Bei vielen Anwendungen in der Stahlherstellung haben wir es mit vorübergehenden Temperaturspitzen zu tun. Im Warmwalzwerk durchläuft eine Bramme ein erstes Reversier-Walzgerüst mehrfach um dann in einem mehrstufigen Walzgerüst auf die gewünschte Materialstärke gewalzt zu werden. Zum Schluss wird das Blech dann zu einem Coil gewickelt.
Dieser Prozess läuft sequentiell, das glühende Material ist lediglich eine kurze Zeit an einem Prozessschritt präsent. Bis die nächste Bramme aus dem Wärmeofen kommt und die Walzstraße durchläuft, hat sich die Temperatur wieder normalisiert.

Glühendes Stahlband wird zum Coil – Foto M.Münzl

Sehr oft kommen hier gewöhnliche Standard-Sensoren zum Einsatz und funktionieren problemlos. Kommt es jedoch zu einer Störung im Prozess, wird der Vorgang unterbrochen. Möglicherweise kommt dann der Strang im heißen Zustand genau vor einem Sensor zu stehen. Damit kommt es nun zu einer zeitweisen Erhöhung der Temperatur und der Sensor kann wie in diesem Bild zerstört werden.

Optosensor nach Hitzeeinwirkung – Foto: Balluff

Zubehör Sensor­schutz­gehäuse

Um optische Sensoren vor einer vorübergehenden Überhitzung zu bewahren, haben wir dieses universelle Schutzgehäuse entwickelt.

Schutzgehäuse mit Kabelschutzschlauch

Als zusätzlicher Schutz für das Kabel kann ein hitzebeständiger Schutzschlauch direkt am Flansch montiert werden.

Dieses Gehäuse aus Aluminium-Druckguss bietet zum einen mechanischen Schutz für den Sensor, der in der Regel ein Kunststoffgehäuse besitzt.
Die Scheibe der aktiven Fläche besteht wahlweise aus Glas oder PMMA.

Zum anderen bietet dieses Gehäuse einen thermischen Schutz gegen Hitzestrahlung.

Schutzgehäuse mit Air-Blower und Kühlkanälen

Hitzeschutz ohne zusätzliche Kühlung

In Tests wurde das Gehäuse mit einem Sensor mit Temperaturen von bis zu 160°C beaufschlagt. Der Versuchsaufbau befand sich in einem Ofen mit Temperaturbeaufschlagung von allen Seiten. In vielen realen Anwendungen wirkt die Wärmestrahlung jedoch überwiegen aus einer Richtung auf den Anbauort des optischen Sensors.
Ohne zusätzliche Kühlung heizte sich der Innenraum des Sensorgehäuses bereits nach ca. 4-5 Minuten auf bis zu 60°C auf. Somit wird die maximal zulässige Betriebstemperatur des eingesetzten Sensors bereits nach relativ kurzer Zeit erreicht. Ist die zu erwartende Zeitdauer einer möglichen Überhitzung des Sensors größer, empfiehlt sich der Einsatz zusätzlicher Kühlung.

Zusätzliche Kühlung mit Luft und Wasser

Ein erster Versuch, bei dem der Innenraum mit bis zu 35l/min. mit Luft durchströmt wurde, konnte die Temperatur um lediglich 5K reduzieren (bei einer Raumtemperatur von 23°C).
Nach dieser Erkenntnis muss man von einer Luftkühlung abraten. Zwar können die seitlich am Gehäuse angebrachten Kerben für einen Luftanschluss angebohrt werden, für eine effektive Kühlung reicht dies allerdings nicht aus. Ein statischer Anschluss von Druckluft kann die IP Schutzart allerdings verbessern. Durch den anstehenden Überdruck im Gehäuse kann keine Flüssigkeit eindringen.

Durch einen Verbliebenen Hohlraum im Bodenbereich des Gehäuses, war es möglich dort Kühlkanäle anzulegen. Diese werden mit einem Deckel mit Dichtung (Zubehör) verschlossen.

Hier zeigte sich bei weiteren Versuchen, dass sich das Innere des Sensorgehäuses dauerhaft um bis zu 100K senken lässt. Bei diesem Test wurde mit einem Durchfluss von 2l/min und Wassertemperatur von 8°C (Hauswasseranschluss).

Somit kann ein Standard-Sensor in diesem Gehäuse dauerhaft bei einer Umgebungstemperatur von 160°C betrieben werden. Bei einer temporären Überschreitung der Temperatur z.B. bei einer Störung, kann die Temperatur des Sensors durch eine Versorgung mit Kühlwasser konstant gehalten werden bzw. gesenkt werden.

Bei einer Gehäusetemperatur von 160°C konnte der Sensor innerhalb von 15 Minuten wieder auf die maximal zulässige Temperatur von 60°C gekühlt werden (8°C Wassertemperatur, 2l/min Durchfluss).

Es wäre im Prinzip ausreichend, bei bestimmten Anwendungen eine Kühlung nur für den Fehlerfall vorzusehen um den Sensor vor der Zerstörung zu bewahren.

Merkmale des Schutzgehäuse:

  • Schutz vor Hitze, Staub und Feuchtigkeit
  • Schutzart IP67 (mit Schutzschlauch IP69K)
  • Stabiles Aluminium Druckguß-Gehäuse
  • Glas oder PMMA Scheibe (Frontdeckel mit Scheibe als Ersatzteil erhältlich)
  • Optionaler Luftdüse um die Scheibe vor Staub zu schützen
  • Schnelle, einfache Sensormontage und schneller Tausch möglich
  • Kabelverschraubung für Schutzschlauch-Montage
  • Optionale Wasserkühlung (Dauerbetrieb bis zu 160°C)
  • ATEX-Zulassung für die Glas-Version (Zone 22)
  • 2 Baugrößen (BOS/BOD23K & BOS50K)
Optosensor Schutzgehäuse

Hier ist eine Übersicht über die verfügbaren Schutzgehäuse

 

0 0 vote
Article Rating
Abonnieren
Benachrichtige mich bei
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x
%d bloggers like this: