Etalon treibt Industrie-4.0-Konzept voran Neue Technologie für die Längenmesstechnik

Anders als bei konventionellen Interferometern kann der Messstrahl jederzeit ohne Genauigkeitsverlust unterbrochen werden – innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde wird die absolute Entfernung wieder bestimmt.
Anders als bei konventionellen Interferometern kann der Messstrahl jederzeit ohne Genauigkeitsverlust unterbrochen werden – innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde wird die absolute Entfernung wieder bestimmt.

Eine neue Methode der Längenmessung könnte dem Konzept der Industrie 4.0 Vorschub verleihen: Die auf einem absolut messenden Interferometer basierende »Absolute-Multiline«-Technologie von Etalon misst Längen bis zu 20 Meter mit einer Messunsicherheit von nur 0,5 µm pro Meter – und das auf bis zu 100 Kanälen gleichzeitig. Damit ließen sich Fertigungslinien realisieren, die selbst winzigste Normabweichungen sicher erkennen.

Das von Etalon gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Oxford entwickelte, patentierte Messverfahren kombiniert die sehr hohe Auflösung und die messtechnische Rückführbarkeit eines konventionellen Interferometers mit den Vorteilen absolut messender Systeme. Im Gegensatz zu herkömmlichen Interferometern kann jedoch der in der Absolute-Multiline-Technologie genutzte Laserstrahl jederzeit unterbrochen werden, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet: Innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde wird die absolute Entfernung wieder bestimmt.

»Ein absolut messendes optisches System mit dieser Genauigkeit gab es bislang noch nicht«, erklärt Dr. Heinrich Schwenke, der 2004 als Spin-Off aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gegründeten Etalon AG. »Durch die Absolutmessung können auch Langzeitbeobachtungen störungssicher gemacht werden, die mit einem inkrementellen System nicht möglich wären, weil dieses bei Unterbrechung des Messstrahls, zum Beispiel durch Stromausfall, Öltropfen, Kühlmittel, eine Fliege oder durch Abschattung den Bezug verlieren würde.«

Die metrologische Rückführbarkeit der Absolute-Multiline-Technologie ist durch die Rückführung auf eine physikalische Grundkonstante gesichert: Bei jeder Messung wird das molekulare Absorptionsspektrum einer Gaszelle abgetastet, das über Jahrzehnte hinweg stabil ist. So wird das System bei jeder Messung automatisch neu kalibriert. Vergleichsmessungen mit einem konventionellen Interferometer am National Physical Laboratory in England bestätigten eine Messunsicherheit von 0,5 ppm – das entspricht 0,5 µm pro Meter – bei Entfernungen von 0,2 bis 20 m.

Ein Absolute-Multiline-System ist, je nach Anforderung, mit acht bis 100 extrem kompakten Messkanälen ausgestattet. Ein einzelner Sensor besteht aus einer handelsüblichen Glasfaser und einer miniaturisierten Optik ohne elektronische Komponenten. Jeder Kanal kann Bewegungen und Schwingungen des Messobjekts mit einer zeitlichen Auflösung von über 500 kHz erfassen. Und weil die Entfernung zwischen Sensor und Auswerteeinheit mehrere Kilometer betragen kann, können die Systeme die die Messungen auch unter rauen Umgebungsbedingungen, fernab der Auswerteelektronik, durchführen. Das Messsignal bleibt unbeeinflusst von elektromagnetischer Strahlung, so dass auch das Verlegen der Sensoren in z.B. Versorgungsketten ohne Genauigkeitsverlust möglich ist.

Sichere Kontrolle der Fertigungslinien

Die Anwendungen in der Produktion sind vielseitig. So könnte ein Absolute-Multiline-System beispielswiese als übergeordnetes Metrologie-System die Kontrolle der gesamten Inline-Messtechnik einer Produktionshalle übernehmen. Auch die automatisierte metrologische Überwachung von Fertigungsrobotern anhand von Referenzlinien ist möglich. Integriert in eine Fertigungslinie könnte sie die Kalibrierung einer Maschine kontinuierlich überwachen und bei Bedarf Kompensationsmaßnahmen einleiten, um sicherzustellen, dass die Bauteile in den geforderten Maßen bleiben. Und auch die geometrische Langzeitüberwachung der Formstabilität von Vorrichtungen sowie die Erkennung von Verformungen und Schwingungen an (thermo)mechanischen Systemen wie Generatoren, Turbinen oder Druckbehältern sind denkbar.

»Das Prinzip der Absolute-Multiline-Technologie stammt ursprünglich aus der Beschleunigerforschung«, so Dr. Schwenke. »Doch die Technologie hat auch industriell viele Anwendungsbereiche: Sie stellt die Weichen für intelligente Maschinen und Strukturen, die sich selbst überwachen und kann damit auch ein Baustein in dem Zukunftskonzept Industrie 4.0 werden.«