Messlösungen im Vergleich

Wir von mecorad haben uns mit der spezifischen Situation unserer Kunden in der vor- und nachgelagerten Verarbeitung von Roheisen und Metall beschäftigt, die – wie Sie sich vorstellen können – äußerst anspruchsvoll ist. Folgende Überlegungen können Ihnen bei Ihrer Entscheidung helfen:  

• Welcher Genauigkeitsgrad muss erreicht werden?
• Welche Umgebungsbedingungen herrschen vor? Gibt es Staub, Dampf, Hitze? Ein Vakuum? 
• Verfügt das Objektmaterial über besondere Eigenschaften? 

Um diese Fragen zu beantworten, muss man zumindest einen kurzen Blick auf die Vor- und Nachteile der verschiedenen Messprinzipien werfen. 

In diesem Artikel beschränken wir uns auf den Vergleich der berührungslosen Methoden Laser, Ultraschall und Radar. Diese drei werden häufig gewählt und sind anders als Isotopenlösungen wie Röntgen frei von radioaktiven Belastungen für Arbeitnehmer und Arbeitsplatz.  

Ultraschall

Ultraschallsensoren messen Entfernungen nach dem Prinzip der Lichtlaufzeit. Ultraschallwellen sind Schallimpulse mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 1 GHz, die höher ist, als der Mensch hören kann. Diese Wellen werden in einem definierten Intervall von einem Sensor ausgesendet und bewegen sich in der Luft mit Schallgeschwindigkeit. Wenn sie auf ein – in unserem Fall metallisches – Objekt treffen, werden sie von der Oberfläche des Objekts reflektiert. Diese reflektierten Echos kehren zum Sensor zurück. Durch Messung der Zeitverschiebung des reflektierten Schalls wird die zurückgelegte Strecke ermittelt und dem Benutzer angezeigt.

Ultraschall eignet sich sehr gut für komplexe Objekte, sogar für transparente oder stark glänzende Objekte in homogenem Material, bei denen nur eine geringe Schallabsorption vorliegt.  Deshalb wird er häufig zur Qualitätskontrolle eingesetzt, um fehlerhafte Materialstrukturen, Einschlüsse oder Verunreinigungen in einem bestimmten Material zu markieren.

In einer heterogenen Umgebung kann die Geschwindigkeit der Wellen jedoch durch verschiedene Bedingungen wie instabile Temperaturen oder eine Änderung der Luftzusammensetzung in der Umgebung des Objekts beeinträchtigt werden. 

Die Metallverarbeitung ist in der Regel kein Reinraum. Denken Sie nur an staubige Arbeitsbereiche, oder Kühlwasserdampf. Die Ultraschallwellen werden an den Mikrowassertropfen in der Luft abgelenkt, was zu einer Unterbrechung der Übertragung und Reflexion des Signals führt. Die Messergebnisse sind nicht mehr präzise. Heiße Objekte, wie glühende Stahlbrammen, verursachen auch von sich aus Wärmekonvektion in der Umgebungsluft. Diese Konvektionen unterbrechen wiederum das Ultraschallsignal. 

Laser

Das Wort Laser ist die Abkürzung für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Laserstrahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300000 km/s) bewegen.

Heute gibt es eine Reihe von Laseranwendungen mit einer Vielzahl von Messaufgaben. Laser können zur Erkennung oder Zählung von Objekten usw. eingesetzt werden. Ein bekanntes Beispiel für die elektro-optische Messung von Entfernungen und die daraus abgeleitete Berechnung von Geschwindigkeiten wird etwa von der Polizei zur Geschwindigkeitskontrolle eingesetzt. 

In unserem industriellen Kontext beruhen die Messungen auf einem der folgenden Prinzipien: Triangulation, Phasenverschiebung oder Laufzeitmessung, letztere wie bereits erläutert. Lasersensoren sind unter bestimmten Bedingungen hochpräzise und werden daher häufig für Messaufgaben in industriellen Umgebungen eingesetzt. Sie sind jedoch unzureichend, wenn Staub oder Ablagerungen die Sicht versperren, so dass der Strahl nicht richtig ausgesendet werden kann. Nötig wäre daher eine fortlaufende Prüfung und Reinigung des Lasersensors, die jedoch gerade in einem Stahlwerk wenig effizient erscheint.   

Auch bei offenen Flammen oder glühenden Objekten liefert die Messung mit Standard-Rotlicht-Lasern falsche Signale. Der Grund dafür ist die ähnliche Frequenz der Infrarotstrahlung des Lasers und das Farbspektrum der glühenden Oberfläche. Die Abmessungen des Objekts werden nicht richtig erkannt, der Laser misst möglicherweise in die Oberfläche hinein. In diesen Fällen können Blaulichtlaser mit einem großen Spektralabstand eine Lösung sein, aber sie sind recht teuer und nicht die erste Wahl für andere Messaufgaben. 

Nasse, staubige oder verschmierte Oberflächen haben stark wechselnde Reflexionseigenschaften, die die Messgenauigkeit ebenfalls beeinträchtigen. Der Abstand zwischen einem Lasersensor und dem Messobjekt darf nur sehr wenig variieren, um robuste Signale zu liefern.  Und große Wassertropfen, wie man sie in der Schlackewäsche der Stahlindustrie findet, brechen das Lasersignal. 

Radar

Die Radarmessung basiert auf elektromagnetischen Wellen. Der Sensor sendet das Hochfrequenzsignal aus, das sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, und berechnet die Entfernung zu einem Objekt, indem er die Reflexion des Signals von diesem Objekt misst.  

Bei der Radarmessung wird ein Punkt erfasst, der durch Linsen oder Antennen fokussiert werden kann. Vergleichbar mit der Fokussierung einer Taschenlampe auf eine Wand, kann dieser Punkt mehr oder weniger scharf eingestellt werden. Daher erfasst der Sensor das rollende Material auch dann, wenn Hindernisse in der direkten Sichtlinie auftreten.

Radarwellen sind unempfindlich gegenüber widrigen Umweltbedingungen wie hohen Temperaturen oder verschmutzter Luft.  Nebel zum Beispiel ist für Radarstrahlung viel durchlässiger als für sichtbares Laserlicht. Selbst unter Null-Sicht-Bedingungen oder bei Messungen durch Dampf, Wassertropfen, Staub, Schlacke und offene Flammen sind die Strahlen noch mit hoher Genauigkeit kontrollierbar. 

Auch wenn Radar – verglichen unter Laborbedingungen – nicht so präzise ist wie Laser, ist es aus unserer Sicht die beste Lösung für die Messung von Breite, Dicke und Länge von Roheisen. 

Deshalb setzen wir es in unseren innovativen IIoT-Messlösungen ein.