Grundsätzlich sind optische Sensoren für die Analysetechnik besonders geeignet: Sie bieten in der Regel eine präzise Messwert-Erfassung von maximal ±5 µm sowie eine hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit von 0,1 beziehungsweise 0,05 µm. Hingegen verfügen magnetische Sensoren (entweder als inkrementale oder als absolute Lösung) über eine geringere Systemgenauigkeit (maximal ±10 µm). Aber sie haben einen Pluspunkt: Dank ihrer berührungslosen Funktionsweise sind sie verschleißfrei und verursachen nur geringen Wartungsaufwand. Optische Sensoren sind zudem empfindlicher, was Verschmutzungen angeht, so dass sie sich zum Beispiel nicht für staubige Umgebungen eignen. Auch Fingerabdrücke beziehungsweise Fettablagerungen auf dem Band können den optischen Sensor stören. Gegen derlei Einflüsse sind magnetische Sensoren unempfindlich. Gleichzeitig bieten sie eine höhere Flexibilität bei der Installation, insbesondere bei größeren Messlängen: Die Abstände zwischen Sensor und Band müssen im Gegensatz zum optischen Prinzip nicht so ­gering sein – Abstände bis maximal 1,3 mm bei ­Absolutsensoren und bis zu 20 mm bei Inkrementalsensoren sind unproblematisch. Ein weiterer Vorteil ist ihre kompakte Bauweise, die auch Platinenlösungen beinhalten kann. Wenn es also nicht unbedingt um ­maximale Systemgenauigkeit geht, sind magnetische Sensoren die passende Wahl. Nicht zuletzt sind sie darüber hinaus preisgünstiger als optische ­Sensoren.

Neben der Abwägung zwischen optischen und magnetischen Sensoren stellt sich die Frage nach dem Messverfahren. Gängig ist das inkrementale Verfahren, bei dem ein Magnetband regelmäßig mit Nord- und Südpolen codiert ist. Ein Sensorkopf, in dem Sensorelemente sitzen, fährt in einem definierten Abstand über dem Band entlang und liest die Magnetfelder aus. Dabei wird intern hochgezählt.

Bei der Absolutsensorik handelt es sich um ein Zweispurband, das heißt, auf der einen Seite befindet sich eine inkrementale Spur, während die andere Spur absolut codiert ist. Auf einer ­bestimmten Länge des Bandes kommt diese Codierung also nur einziges Mal vor. Der Vorteil daran ist, dass der ­Sensor stets genau ‚weiß‘, an welcher Position er sich befindet.

Zu bedenken bei beiden Verfahren ist das Szenario eines Stromausfalls: Beim inkrementellen Verfahren ist in diesem Fall eine Referenzfahrt durchzuführen, um den Sensor wieder auf einen bestimmten Referenzpunkt zu bringen, der dann an die Steuerung zurückgemeldet wird. Um diesen Prozessschritt zu vermeiden, ist es möglich, eine Batterie als Back-up-Lösung zu installieren, 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.

Mit einem Magnetring und einem Inkrementalsensor lässt sich die genaue Position der Probenröhrchen in der Zentrifugeneinheit im 360°-Winkel bestimmen.

© Siko

Wie eine anwenderspezifische Lösung für die Analysetechnik aussehen kann, zeigt das Beispiel einer Pipettieranlage, die die Firma Siko mit magnetischer Messtechnik ausgestattet hat.

Automatische oder halbautomatische Pipettieranlagen werden zum Beispiel für Blutanalysen genutzt. Sie sind mit Linearmotoren zur Positionierung der einzelnen Achsen ausgestattet. Der Pipettierroboter bewegt sich auf drei Achsen in allen drei Raumdimensionen. Die Überwachung der Motorsteuerung erfolgt durch magnetische Absolutsensoren, die ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurückgeben. Siko hat bei dieser Anlage flexibel auf Anwenderwünsche reagiert, insofern als zwei Achsen bereits mit kundeneigenen Magnetsensoren bestückt waren und nur noch die entsprechenden Magnetbänder mit einer Spezialcodierung zu liefern waren. Die Längsachse verfügt über einen Siko-Sensor mit entsprechendem Magnetband. Zu berücksichtigen waren auch sehr enge Platzverhältnisse. Da der zunächst angedachte Sensor ‚MSA501‘ von der Größe her nicht verbaut werden konnte, fiel die Entscheidung zugunsten einer Platinenlösung. Dabei wurde nur die Platine des Sensors mit den Sensorelementen darauf direkt in das Gehäuse des Anwenders eingebaut. Reine Platinenlösung sind nicht ohne weiteres möglich, insbesondere wenn viel Verschmutzung auftritt oder der Sensor mit Wasser in Berührung kommt. In der Regel benötigt der Sensor einen geschützten Raum; dies war im beschriebenen Fall das vorhandene Gehäuse des Pipettierroboters. Positiver Nebeneffekt der abgespeckten Sensorvariante auf nur die nötigsten Komponenten war eine Kostenreduktion für den Anwender.

Ein weiteres Beispiel aus der Analysetechnik sind Zentrifugen-Einheiten, die beispielsweise als Probensammler für DNA-Analysen beliebt sind. Eine Herausforderung dabei ist, die Kapillarröhrchen mit den DNA-Proben bis zu 10 µm genau zu positionieren, um sie mit einem Spektrometer zu analysieren. Es werden mehrere Temperaturzyklen bis zu 95 °C gefahren. Die genaue Position der Probenröhrchen ist wichtig, damit bei der Messung mit dem Spektrometer kein Rauschen auf der Kurve entsteht.

Mit einem Magnetring und in der Regel einem Inkrementalsensor lässt sich die genaue Position im 360°-Winkel bestimmen. 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.

Autorin: Michaela Wassenberg ist freie Journalistin.