English China

Sensortechnik Magnetische und optische Sensoren für die Analysetechnik

Redakteur: Matthias Back

Analysetechnik stellt hohe Anforderungen an die eingebauten Sensoren. Bei der Entscheidung für einen magnetischen oder optischen Sensor, inkrementale oder absolute Messtechnik, kommt es auf kundenspezifische Wünsche und Gegebenheiten an, für die die Schwarzwälder Siko GmbH seit über 50 Jahren passgenaue Applikationen entwickelt.

Firmen zum Thema

Bei einem Pipettierroboter, der sich in allen drei Raumdimensionen bewegt, erfolgt die Überwachung der Motorsteuerung mit magnetischen Absolutsensoren, die ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurückgeben.
Bei einem Pipettierroboter, der sich in allen drei Raumdimensionen bewegt, erfolgt die Überwachung der Motorsteuerung mit magnetischen Absolutsensoren, die ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurückgeben.
(Bild: Siko)

Ob sich ein magnetischer oder ein optischer Sensor besser für eine Anwendung in der Analysetechnik eignet, lässt sich nicht pauschal beantworten. Beide spielen ihre Vorteile in der jeweiligen Anwendungsumgebung aus. Grundsätzlich sind in der Analysetechnik besonders optische Sensoren geeignet, da sie eine hochpräzise Messwerterfassung von bis zu +/- 5 µm sowie eine sehr hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit (0,1 µm bzw. 0,05 µm beim optischen Sensor LSC20) auszeichnet.

Robuster und kostengünstiger

Magnetische Sensoren (z. B. MSK1000 als inkrementaler Sensor und MSA111C als absoluter Sensor) dagegen haben eine marginal geringere Systemgenauigkeit von bis zu +/- 10 µm. Dafür punkten sie mit ihrer Robustheit und Kosteneffizienz: Dank ihrer berührungslosen Funktionsweise sind sie verschleißfrei und verursachen nur einen geringen Wartungsaufwand.

Bildergalerie

Optische Sensoren sind empfindlicher, was Verschmutzungen angeht. Sie eignen sich z. B. nicht in einer staubigen Umgebung. Auch können Fingerabdrücke bzw. Fettablagerungen auf dem Band den optischen Sensor stören. Dagegen sind magnetische Sensoren unempfindlich. Letztere sind zudem flexibler bei der Installation, insbesondere bei größeren Messlängen. Die Abstände zwischen Sensor und Band müssen hier im Gegensatz zum optischen Prinzip nicht so gering sein; Abstände von bis zu 1,3 mm bei Absolutsensoren und sogar bis zu 20 mm bei Inkrementalsensoren sind unproblematisch. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus ihrer kleinen und kompakten Bauweise. Bis zur Platinenlösung sind verschiedene Baugrößen möglich; ebenso wie individuelle Steckerausführungen oder Einbau in ein kundenspezifisches Gehäuse. Wenn es die hohe Systemgenauigkeit also nicht unbedingt erfordert, sind magnetische Sensoren die passende Wahl. Zudem sind sie preisgünstiger als optische Sensoren.

Neben der Abwägung zwischen optischen und magnetischen Sensoren stellt sich auch die Frage nach dem Messverfahren. Gängig ist das inkrementale Verfahren: Ein Magnetband ist regelmäßig mit Nord- und Südpolen kodiert. Ein Sensorkopf, in dem Sensorelemente sitzen, fährt in einem definierten Abstand über dem Band entlang und liest die Magnetfelder aus. Dabei wird intern hochgezählt – so funktioniert die inkrementale Sensorik. Bei der Absolutsensorik handelt es sich um ein Zweispurband, d. h. auf der einen Seite befindet sich eine inkrementale Spur, während die andere Spur absolut kodiert ist. Auf einer bestimmten Länge des Bands kommt diese Kodierung also nur einziges Mal vor. Der Vorteil: Der Sensor weiß hiermit stets genau, an welcher Position er sich befindet. Im Falle eines Stromausfalls müsste beim inkrementellen Verfahren dagegen eine Referenzfahrt durchgeführt werden, um den Sensor wieder auf einen bestimmten Referenzpunkt zu bringen, der dann an die Steuerung zurückgemeldet wird. Um diesen Prozessschritt zu vermeiden, kann eine Batterie als Back-up-Lösung installiert werden, die bei Stromausfällen anspringt. In vielen Bereichen der Medizin- und Analysetechnik ist dies als Sicherheitsvorkehrung unerlässlich. Mit der absoluten Sensortechnik lässt sich diese Problematik jedoch vollständig umgehen.

Mehr Partner als Zulieferer

Die Siko GmbH ist ein erfahrener Partner in der Medizin- und Analysetechnik. Wenn ein neues Projekt beginnt, wird zunächst gemeinsam mit dem Kunden der genaue Bedarf erfasst und ein Lastenheft erstellt: inkrementale oder absolute Sensorik, Baugröße, Art der Schnittstelle, Auflösung, Genauigkeitsanforderungen, Messlängen, Wiederholgenauigkeit. Es werden Konzepte erstellt, verschiedene Lösungen zur Durchführbarkeit der Kundenanforderungen geprüft und Zeichnungen angefertigt, um auch die Platzverhältnisse einzuschätzen. Schließlich wird ein Prototyp gefertigt, der sowohl bei Siko als auch beim Kunden auf Herz und Nieren getestet wird. Nach Freigabe des Prototypen erfolgt die Erstellung der Vorserie und schließlich die Serienproduktion. „Wir gehen sehr auf die Kundenwünsche ein und versuchen möglich zu machen, was lösbar ist. Dabei entwickeln wir auch komplett neue Ansätze und bringen Ideen ein“, erläutert Kerstin Graw, Projektmanagerin MagLine, Siko, die Zusammenarbeit. „Wir sind also mehr Partner als Zulieferer.“

Wie eine solche Zusammenarbeit in der Analysetechnik aussehen kann, zeigt das Beispiel einer Pipettieranlage, die Siko mit magnetischer Messtechnik ausgestattet hat. Automatische oder halbautomatische Pipettieranlagen werden zum Beispiel für Blutanalysen eingesetzt. Sie sind mit Linearmotoren zur Positionierung der einzelnen Achsen ausgestattet. Es gibt drei Achsen, auf denen sich der Pipettierroboter in allen drei Raumdimensionen bewegt. Die Überwachung der Motorsteuerung erfolgt in diesem Fall durch magnetische Absolutsensoren. Diese geben ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurück.

Flexibal auf Kundenwünsche eingegangen

Siko hat hier sehr flexibel auf die Kundenwünsche reagiert, da zwei Achsen bereits mit kundeneigenen Magnetsensoren bestückt wurden und Siko dazu nur die entsprechenden Magnetbänder mit einer Spezialcodierung geliefert hat. Die Längsachse wiederum verfügt über einen Siko-Sensor mit entsprechendem Magnetband. Dabei mussten auch die sehr engen Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Angedacht war zunächst der Sensor MSA501, der jedoch von der Größe her nicht verbaut werden konnte.

Daher entschied man sich für eine Platinenlösung, d. h. es wurde nur die Platine des Sensors mit den Sensorelementen darauf direkt in das Gehäuse des Kunden eingebaut. Eine reine Platinenlösung ist nicht ohne weiteres möglich, insbesondere wenn viel Verschmutzung auftritt oder der Sensor mit Wasser in Berührung kommen würde. Er benötigt in der Regel einen geschützten Raum, in diesem Fall das vorhandene Gehäuse des Pipettierroboters. Positiver Nebeneffekt der abgespeckten Sensorvariante auf nur die nötigsten Komponenten: eine Kostenreduktion für den Kunden.

Inkrementalsensoren im Einsatz

Ein weiterer Bereich in der Analysetechnik, in der Siko-Sensoren zum Einsatz kommen, sind Zentrifugeneinheiten. Diese Zentrifugen sind beispielsweise als Probensammler für DNA-Analysen beliebt. Die Kapillarröhrchen mit den DNA-Proben müssen bis zu 10 µm genau positioniert werden, um sie mit einem Spektrometer zu analysieren. Es werden mehrere Temperaturzyklen bis zu 95 °C gefahren. Eine genaue Position der Probenröhrchen ist wichtig damit man bei der Messung mit dem Spektrometer kein Rauschen auf Kurve hat. Mit einem Magnetring und in der Regel einem Inkrementalsensor kann im 360°-Winkel die genaue Position bestimmt werden. Die Inkrementalsensoren zeigen ihre Stärke dabei in der kleinen Bauform, der Möglichkeit der Innen- oder Außenabtastung sowie einer hohen Verfahrgeschwindigkeit und einer Vielzahl von möglichen Auflösungen.

Bei Siko sind viele Projektvarianten denkbar. Einen Großteil macht die Lieferung passender Sensoren für Standardapplikationen aus. Kerstin Graw schätzt, dass 30 % des Auftragsvolumens Projekte mit kundenspezifischen Anpassungen beinhalten. D. h. dass erst einmal Siko-Standardprodukte getestet und dann gegebenenfalls verändert und optimiert werden wie im oben genannten Beispiel. Besonders spannend sind komplette Neuentwicklungen für Kunden (zum Beispiel, wenn gänzlich andere Mess- und damit Maßstabslängen oder Abstände gewünscht wären), die jedoch nur einen kleinen Teil des Geschäfts ausmachen.

Da Siko bereits eine sehr große Bandbreite an Messtechniken vorweisen kann – neben den magnetischen und optischen Sensoren zählen dazu auch Seilzuggeber, Drehgeber und Neigungssensoren – sind Neuentwicklungen meist nicht nötig. Entscheidend sind hier auch noch Zeit- und Kostenfaktor, die bei Neuentwicklungen deutlich mehr zu Buche schlagen.

Anlysetechnik im Aufschwung

Für den Marktbereich Analysetechnik sieht Kerstin Graw für die kommenden zehn Jahre einen klaren Aufwärtstrend. Die Gründe liegen für sie auf der Hand: „Der demografische Wandel wirkt sich stark in diesem Marktsegment aus. Die Menschen werden immer älter und benötigen mehr medizinische Betreuung und damit auch mehr Analysebetreuung. Hier geht die Entwicklung deutlich nach oben, speziell im asiatischen Raum sowie in den USA.“ Ein Faktor, der auch dem noch recht jungen Geschäftsfeld „optische Sensoren“ zugutekommt, da gerade in der Analysetechnik die hohe Präzision der optischen Sensoren gefragt ist. „Wir hoffen, dass wir uns im Zuge dieser Entwicklung auch noch stärker im Bereich der optischen Sensoren im Markt etablieren können“, so Kerstin Graw.

Unabhängig von der Branche oder vom Messprinzip wird die Absoluttechnik immer stärker bevorzugt, weiß Kerstin Graw: „Die Kunden möchten weg von der Inkrementaltechnik, um die Referenzierfahrt bei einem möglichen Stromausfall und die Batterielösung zu vermeiden. Der absoluten Variante in der Sensortechnik gehört die Zukunft.“

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwesterseite konstruktionspraxis.

(ID:43386508)