Sensorik Kapazitive Sicherheitssensoren für Industrie 4.0

Industrie 4.0
Industrie 4.0

In einer zunehmend vernetzten Welt sammeln Sensoren wichtige Informationen in der Fertigungslinie. Sie erfassen nicht nur Daten aus dem eigentlichen Produktionsprozess, sondern sorgen auch für ein sichere Zusammenarbeit von Mensch und Maschine: Kapazitive Sensoren können dabei Lichtschranken und -vorhänge ersetzen.

Ziele des Projekts „Industrie 4.0“ sind eine immer feinere Verteilung der „Intelligenz“ bei Anlagensteuerungen und eine bessere Zusammenarbeit von Mensch und Maschine. Im Beispiel der BMW AG arbeiten in den USA Roboter direkt neben den Arbeitern. Man nennt sie darum „kollaborierende Roboter“. Für das nötige „Gefühl“ des Roboters gegenüber Menschen sorgen u.a. kapazitive Sensoren. Sie nutzen die elektrische Kapazität des Menschen gegenüber seiner Umgebung, um ihn vor einer Annäherung an eine gefährliche Maschine zu schützen. In wenigstens drei Anwendungsbereichen können kapazitive Sensoren Vorteile gegenüber Alternativen haben:

  • bei Robotern ohne Schutzgitter,
  • bei Walzwerken, Kalandern und Folienwicklern und
  • zur Informationsgewinnung bei Airbag-Auslösegeräten in Kraftfahrzeugen.

Nun wurde ein inhärent sicherer, kapazitiver Sensor für diese Anwendungen entwickelt.

Primär versucht man natürlich, einen Sensor zu entwickeln, der eine möglichst hohe Empfindlichkeit bei möglichst großer Stabilität zeigt. Reaktionszeit und Unempfindlichkeit gegen Störungen sind ebenfalls kritische Größen. Eine ausreichende Funktionssicherheit ist Grundbestandteil der Entwicklung. Die gewünschte hohe Empfindlichkeit ist ein Gegenpol zu den anderen Forderungen. Die Anwendungsfelder, auf die später eingegangen wird, stellen grundsätzlich verschiedene Anforderungen.

Die Empfindlichkeit des Sensors lässt sich durch die Angabe der Entfernung ausdrücken, in der ein menschlicher Körperteil sicher erkannt wird. Und hier schlägt nun die Physik zu: Die Kapazität zwischen zwei leitenden Flächen nimmt – vereinfacht – mit dem Abstand der Flächen ab und nimmt mit der Ausdehnung zu, mit der sie sich gegenüber stehen. Ein ausgestreckter Finger z.B. gegenüber einem weit ausgedehnten Sensor wird erst bei relativ kurzem Abstand erkannt. Eine Körperfläche in ähnlicher Größe wie der des Sensors wird in wesentlich größerem Abstand entdeckt. Das sind unveränderbare Randbedingungen beim Einsatz kapazitiver Sensoren.

Aufbau des Sensors

Der ursprüngliche Auslöser zur Entwicklung des Sensors war die Notwendigkeit, den Programmierer eines Roboters zu schützen, der beim Teachen des Programms in der unmittelbaren Nähe des Roboters sein muss. Schon seit Jahren werden auch kollaborierende Roboter gefordert, die zusammen mit Menschen im Arbeitsprozess wirken. Als nächstliegende Lösung sind hier kapazitiv wirkenden Sensoren zu nennen. In der Entwicklung des hier beschriebenen Sensors erwies es sich als schwierig, eine genügende Empfindlichkeit bei zugleich hoher Stabilität auch über längere Zeit und bei Temperaturschwankungen zu erreichen. Eine sichere ständige Selbstüberwachung ist dagegen bei kapazitiven Sensoren sehr leicht herstellbar, wurde aber hier zum ersten Mal realisiert.

Der Sensor (Bild 1) besteht aus einem Stab oder einer Metallfläche und wird über eine Kapazität mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die Spannung, die sich am Sensor einstellt, hängt von der Spannung des Generators und seiner Einkoppelkapazität ab, aber ebenso von den Kapazitäten, die sonst noch auf den Sensor wirken. Die einzige erwünschte Kapazität ist die des Menschen, der sich dem Sensor nähert. Diese ist als variable Nutzkapazität dargestellt. Leider besitzt der Sensor aber auch eine Kapazität gegen Masse und der Verstärker, an den der Sensor angeschlossen wird, hat eine Eingangskapazität. Auch die Einspeisekapazität ist unerwünscht. Um jederzeit sicher zu sein, dass das Ausgangssignal wirklich von einem kapazitiven Sensor mit ausreichender Empfindlichkeit stammt, wird periodisch eine Testkapazität zu- und abgeschaltet.

Bild 2 zeigt den schematischen Aufbau. In Wirklichkeit wird am Sensor eine kleine isolierte Metallfläche oder ein Draht angebracht und zeitweise geerdet. Die Kapazität dieser Testelektrode gegenüber dem Sensor wird etwa so groß wie die zu entdeckende Kapazität eingestellt. Durch Auswertung des Spannungssignals des Sensors weiß man so, dass der Sensor mit der nötigen Empfindlichkeit funktioniert und ob sich eine Person dem Gefahrenbereich nähert.

Im Fall von Robotern oder Airbag-Auslösegeräten haben wir es mit flächenhaften Sensoren zu tun, die nahe an einer Massefläche liegen. Dadurch ergibt sich eine hohe Kapazität gegen Masse, während die zu entdeckende Kapazität sehr klein ist. Hiergegen hilft nun als Abschirmung eine Metallfläche zwischen dem Sensor und der Massefläche, z.B. dem Arm eines Roboters oder dem Dach eines Autos. Es soll erreicht werden, dass die Spannung am Sensor möglichst nur von der Kapazität des zu entdeckenden Menschen beeinflusst wird. Deshalb muss die Abschirmung dem Spannungsverlauf möglichst genau folgen, den der Sensor ohne jede störende Kapazität aufweisen würde.

Bild 3 zeigt, dass die Abschirmelektrode dazu an den Ausgang des Ausgangssignalverstärkers gelegt wird. Je besser die Abschirmung dem Verlauf der Sensorspannung folgt, desto weniger sieht der Sensor die Masse. Da die Masse immer noch ein wenig sichtbar bleibt, wird die Verstärkung etwas größer als Eins gewählt. Damit ist klar, dass eine Mitkopplung benötigt wird. Diese positive Rückkopplung muss ganz nah am Punkt des Schwingungseinsatzes arbeiten, weil dort die Empfindlichkeit am größten ist. Um die Situation zu veranschaulichen, ist für die Einspeisung des Trägersignals ein Kondensator mit 10 fF eingezeichnet. Faktisch wird dieser Kondensator aber weggelassen und die erforderliche Wechselspannung durch die Rückkopplung erzeugt. Der speziell entwickelte Verstärker hat eine Eingangskapazität von weit unter 1 pF. Das Potenziometer P ist digital ausgeführt und wird von den Auswerte-Controllern gestellt.

Diese positive Rückkopplung muss ganz nah am Punkt des Schwingungseinsatzes arbeiten, weil dort die Empfindlichkeit am größten ist. Um die Situation zu veranschaulichen, ist für die Einspeisung des Trägersignals ein Kondensator mit 10 fF eingezeichnet. Faktisch wird dieser Kondensator aber weggelassen und die erforderliche Wechselspannung durch die Rückkopplung erzeugt. Der speziell entwickelte Verstärker hat eine Eingangskapazität von weit unter 1 pF. Das Potenziometer P ist digital ausgeführt und wird von den Auswerte-Controllern gestellt.