'AMA Innovationspreis 2019'
Vier in der Endausscheidung
Einmal im Jahr vergibt der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik den mit 10.000 Euro dotierten 'AMA Innovationspreis'. Geehrt werden damit kreative Erfinder, die den Stand der Technik ein wesentliches Stück voranbringen. Für die Endausscheidung sind vier Teams nominiert.
Vier Sensoren und Messtechnik-Produkte haben es in die Endauswahl geschafft.
© Who is Danny | Shutterstock.comWieder einmal, so Prof. Andreas Schütze, durfte die Jury sehr interessante Lösungen bewerten: “Wir sind uns einig, dass viele dieser Innovationen die technische Basis für die Herausforderungen von morgen sind”, kommentiert der Juryvorsitzende von der Universität des Saarlandes. “Eins haben alle vier gemeinsam: Sie zeichnen sich durch ihre überzeugende wissenschaftliche Leistung und eine deutlich erkennbare Marktrelevanz aus.”
Insgesamt waren 38 Bewerbungen eingegangen, davon 13 aus dem Ausland. 11 Teams bewarben sich zudem um den Sonderpreis für das beste junge Unternehmen in Form eines kostenlosen Messestandes auf der Sensor + Test. Die Bedingungen dafür: nicht länger als fünf Jahre am Markt, weniger als 50 Mitarbeiter und ein Jahresumsatz von weniger als 10 Mio. Euro. Gewonnen hat ihn die Senorics GmbH mit ihrem kompakten Analysegerät für kleine Brauereien, das es auch unter die letzten vier Nominierten für die finale Endscheidungsrunde für den Innovationspreis geschafft hat. Der oder die Gewinner des Preises werden am 25. Juni 2019 auf der Eröffnungsveranstaltung der Sensor + Test 2019 in Nürnberg bekanntgegeben. Die vier nominierten Kandidaten im Detail:
Fraunhofer IPM: Interferometer für Werkzeugmaschinen
Zerspanende Werkzeugmaschinen müssen heute mikrometergenau arbeiten. Die Maße der produzierten Teile sind dazu ständig zu überprüfen, bei Abweichungen vom Sollwert ist die Maschine entsprechend nachzustellen. Die Messung ist bisher nur außerhalb der Maschine möglich. Dazu muss man das Werkstück herausnehmen und in die Messapparatur einsetzen. Das ist zeitraubend und kostspielig, deswegen wird es häufig nur stichprobenartig gemacht. In vielen Fällen reicht das aber nicht, sondern jedes Bauteil muss individuell vermessen werden. Wunsch der Maschinenbauer ist, die Messung direkt in der Maschine durchzuführen.
Eine bahnbrechende Idee dazu hatte Tobias Seyler am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg. Der von seiner Arbeitsgruppe entwickelte Sensorkopf ‘HoloPort’ kann in der Maschine zwischen zwei Bearbeitungsschritten von der Spindel wie ein Werkzeug gegriffen werden und die Messung berührungslos durchführen (Bild 1 in der Bilderstrecke). Das Messprinzip arbeitet interferometrisch-holografisch und erreicht dadurch eine sehr hohe Genauigkeit.
Ein aufgeweiteter Laserstrahl beleuchtet die gesamte zu vermessende Oberfläche, und der von ihr reflektierte Strahl überlagert sich dem Ursprungslaserstrahl. In dem dann vorliegenden Interferogramm sind alle notwendigen 3D-Informationen der Oberfläche enthalten. Das Bild wird mit einer CMOS-Kamera aufgenommen und einer Fourier-Transformation unterworfen. Daraus ergibt sich dann ein detailliertes Höhenbild der untersuchten Fläche.
Ältere Systeme dieser Art haben allerdings nur einen sehr kleinen Eindeutigkeitsbereich von einer halben Wellenlänge, also etwa 300 nm. Durch einen Trick ist es hier gelungen, diesen ganz wesentlich zu vergrößern. Statt nur einer einzigen Wellenlänge werden mehrere gleichzeitig verwendet – mit einem Abstand von wenigen Pikometern bis zu einigen Nanometern. Zwischen diesen entstehen synthetische Wellenlängen bei der Schwebungsfrequenz der Einzelwellenlängen. Dadurch lässt sich der Eindeutigkeitsbereich bis in den Bereich mehrerer Millimeter vergrößern. Durch geschickte Schachtelung mehrerer synthetischer Wellenlängen ist eine absolute Wiederholbarkeit im Bereich von 100 bis 300 nm erzielbar. Mithilfe schmalbandiger Diodenlaser – auf besser als 150 MHz frequenzstabilisiert – lassen sich die synthetischen Wellenlängen sehr flexibel und auf wenige Nanometer genau einstellen.
So kann die Apparatur jetzt bislang holografisch nicht erfassbare raue Oberflächen ausmessen, wie sie in Werkzeugmaschinen typischerweise entstehen. Dank hoher Rechenleistung moderner Grafikkarten sind mehr als 100 Mio. 3D-Messpunkte pro Sekunde mit hoher Genauigkeit auswertbar. Das Messfeld ist typisch 20 x 20 mm² groß, die laterale Abtastung reicht von 5 bis 20 µm (Bild 2 in der Bilderstrecke). Dank Strahlfaltung und modularem Aufbau ist der Sensorkopf viel kompakter als bisherige Versionen, so dass er sich direkt in die Werkzeugmaschine integrieren lässt. Er arbeitet kabellos und kann ganz einfach von der Spindel gegriffen und in die Messposition geführt werden.
Der große Vorteil ist, dass das Werkstück zum Messen in der Aufspannung der Maschine verbleiben kann. Störende Einflüsse durch Entnahme und Wiedereinsetzen entfallen. Die praktisch gleichzeitige Messung und Regelung der Bearbeitungsergebnisse kann die Einrichtzeiten von Werkzeugmaschinen für neue Produkte signifikant verkürzen, was sich im Endeffekt in enormen Kostenvorteilen zeigt und erstmals eine echte 100-%-Qualitätskontrolle wirtschaftlich macht. So kann HoloPort einen wichtigen Beitrag zum Erhalt der Technologieführerschaft der deutschen High-End-Zerspanungstechnik leisten.
Senorics: Analysegerät für kleine Brauereien
Biologische Verarbeitungsprozesse erfordern wegen der natürlichen Schwankungen der Ausgangsstoffe eine ständige Überwachung und Nachjustierung der steuernden Parameter, damit die Qualität des Endergebnisses möglichst gleich bleibt. Wichtig ist das vor allem in Brauereien; “Jahrgangs-Biere” analog zu Wein sind unerwünscht. Die entscheidenden Größen sind hier Alkohol- und Zuckergehalt der gärenden Mischung. Die bisher dafür verwendeten Messeinrichtungen sind entweder sehr einfach und kostengünstig, dafür aber äußerst ungenau, oder aber hochgenau und dadurch extrem teuer, nur von sehr großen Brauereien bezahlbar. So sind die kleinen im Wettbewerb benachteiligt. Hier besteht eine Marktlücke: Bedarf besteht an einem einfachen, kostengünstigen Gerät, das dennoch genau misst.
Das übliche Messprinzip ist Spektroskopie im nahen Infrarot. Dabei wird das zu untersuchende Medium mit breitbandigem Licht bestrahlt. Im zurückreflektierten bzw. transmittierten Licht sind bestimmte Spektrallinien abgeschwächt, die von den zu messenden Stoffen absorbiert worden sind. Die Stärke der Abschwächung ist ein direktes Maß für deren Konzentration. Jedes Molekül hat seinen eigenen charakteristischen “Fingerabdruck” im Spektrum.
Herkömmliche Spektrometer, die im nahen Infrarot arbeiten, basieren auf einem Gitter-Monochromator in Kombination mit einem Zeilensensor aus Indium-Gallium-Arsenid. Beide sind sehr teuer in der Herstellung; die Preise derartiger Geräte können bis in den fünfstelligen Eurobereich gehen. Die von diesen erreichte hohe Auflösung von wenigen nm ist jedoch für die Alkohol- und Zuckermessung gar nicht unbedingt erforderlich. Hier dürfen die Ansprüche auch geringer sein.
Eine praktikable Lösung für einen äußerst kostengünstigen Sensor hat das Team um Dr. Ronny Timmreck bei der Senorics GmbH in Dresden gefunden. Die Firma ist eine Ausgründung aus dem Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der dortigen TU. Die Erfindung kommt ohne teure InGaAs-Detektoren und Gitter aus, sondern verwendet spektral selektive Detektoren aus organischen Halbleitern – am IAPP ein Hauptforschungsgebiet.
Auf einem 20 x 20 mm² großen Substrat sind 16 Einzelelemente platziert, alle aus dem gleichen Material, aber mit unterschiedlichen Dicken - gerade so, dass vertikal eine halbe Wellenlänge einer ganz bestimmten Infrarotlinie hineinpasst (Bild 3). Auf diese Weise wirkt eine solche Struktur als wellenlängenselektiver IR-Detektor; die erreichbaren Halbwertsbreiten von 20 bis 30 nm sind für den vorgesehenen Zweck schmal genug. Die einzelnen Elemente sind so dimensioniert, dass sie gerade für die für Alkohol und Zucker relevanten IR-Spektrallinien erfassen.
Um Aussagegenauigkeiten im Sub-Prozent-Bereich zu erzielen, ist für die meisten Anwendungen die Auswertung weniger Wellenlängen ausreichend – maximal 20, typischerweise 4 bis10. Dabei sind nur sehr kleine Probenmengen erforderlich. Die Signale der einzelnen Elemente werden mit 16-Bit Auflösung digitalisiert. Ein Mikroprozessor wendet die verschiedenen chemometrischen Modelle auf die Messwerte an und ermittelt daraus Zucker- und Ethanolgehalt. Letztliches Ergebnis ist ein handliches, einfach zu bedienendes Gerät zum Preis von weniger als 300 Euro (Bild 4), auch für die allerkleinste Brauerei erschwinglich.
STMicroelectronics: Rechenkern für maschinelles Lernen
Inertialsensoren in MEMS-Technologie, die Beschleunigungen und Drehungen in drei Koordinatenrichtungen aufnehmen, haben bereits große Verbreitung gefunden. Häufig sitzen sie in batteriebetriebenen Geräten – Smartphones, Wearables usw., wo sie beispielsweise Körperbewegungen überwachen und die Messdaten dann irgendwohin funken.
Die dabei aufgenommenen Rohdaten können schnell zu erheblichen Mengen anwachsen. Sie direkt zu versenden, würde viel Energie benötigen, weil die Sendestufe im Gerät der größte Stromverbraucher ist. Die Batterie wäre schnell leer. Eine vorherige Auswertung und Aufkonzentration könnte hier einiges einsparen, würde aber viel Rechenleistung im Prozessor erfordern, was auch wieder allerhand Energie benötigen würde. So wäre nicht viel gewonnen.
Bei STMicroelectronics hat man deshalb in dem Baustein ‘LSM6DSOX’ eine grundsätzlich andere Herangehensweise entwickelt. Ein normaler Mikroprozessor zeigt sich für die hier auszuführenden Spezialberechnungen als nicht optimal geeignet. Sehr viel effizienter arbeiten sogenannte Finite State Machines (FSM), von denen hier bis zu 16 mit auf demselben Chip integriert sind, alle unabhängig voneinander programmierbar, vorgesehen für deduktive Algorithmen. Noch dazu ist ein Machine Learning Core (MLC) integriert, optimiert für induktive Algorithmen. Beide lassen sich auch miteinander koppeln. Bild 5 zeigt den Blockaufbau des Bausteins.
Diese Elemente kommen mit sehr viel weniger Betriebsstrom aus. Ein grobe Abschätzung: Bei einer Datenerfassungsrate des Inertialsensors von 100 Hz nehmen die 16 FSMs und der MLC alle zusammen nur etwa 10 bis 15 µA auf. Ein normaler Prozessor mit ARM M4-Kern und 100 MHz Takt würde für die gleichen Aufgaben etwa 20 mA benötigen, mehr als das Tausendfache.
Die besagten Berechnungen sind vor allem Mustererkennungs-Algorithmen. Welche körperlichen Aktivitäten betreibt der Benutzer: Ruhen, Gehen, Laufen, Fahrrad fahren, Reiten, Gewichtheben usw. Der Sensorbaustein vergleicht die registrierten Bewegungsabläufe mit vorher eingespeicherten charakteristischen Mustern und erkennt dann, was der Träger des Geräts gerade tut. Daraufhin kann er dann – auf Basis vorher eingegebener Schwellwerte - entscheiden, ob er die ermittelten Daten überhaupt aussenden soll oder nicht. Beispielsweise könnte er zwischen normalem Sport und einem Sturz unterscheiden.
Nicht nur Leistungssportler werden zu den Anwendern gehören. Auch in der Industrie eröffnen sich zahllose Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise an einem Bestückungsroboter, bei dem die Zahl der Bewegungen oder der verarbeiteten Teile ermittelt werden kann, als Information über den Verschleiß und für vorausschauende Wartung.
Indem der stromhungrige Mikroprozessor jetzt wesentlich weniger zu tun hat, kann er die meiste Zeit im Schlafzustand verbleiben und wird erst aufgeweckt, wenn besondere Aufgaben auszuführen sind, die die Fähigkeiten von FSM und MLC übersteigen. So lässt sich sehr viel Strom einsparen. Der Akku bzw. das ganze Gerät kann kleiner werden, oder aber die Betriebsdauer pro Ladung wird länger. Sonstige Merkmale: An den Baustein lassen sich bis zu vier externe Sensoren für andere Größen anschließen. Die Datenübertragung läuft über eine I³C- Schnittstelle. Die Baugröße ist 3 x 2,5 x 0,8 mm³ (Bild 6). Die Stromaufnahme liegt bei nur 0,55 mA.
Trinamix: Faseroptischer Sensor für absolute Distanzmessung
Abstände sind in zahllosen industriellen Anwendungen zu messen. Die Messmethoden dafür sind heute bereits vielfältig, doch es gibt immer wieder Fälle, wo die etablierten Verfahren nicht geeignet und Sonderlösungen erforderlich sind – so etwa in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder starken elektrischen oder magnetischen Feldern. Hier sind faseroptische Sensoren vorteilhaft. Bei diesen fließen an der eigentlichen Messstelle keine Ströme, sondern nur in den optischen Sendern und Empfängern in größerer Entfernung.
Zwei Arten sind zu unterscheiden: Bei den “intrinsischen” reagiert die Faser selbst auf die Messgröße; bei den “extrinsischen” dient sie nur als Zuleitung zum Sensorelement; in diesem findet ein physikalischer Effekt statt, bei dem die Messgröße das Licht in irgendeiner Weise beeinflusst – etwa in Amplitude, Phase, Polarisationsrichtung oder Spektrum, wonach es entweder über dieselbe oder eine andere Faser zur Auswertestation zurückfließt.
Der von Dr. Celal Mohan Ögün und seinem Team bei der Trinamix GmbH in Ludwigshafen entwickelte Abstandssensor ‘XperYen’ gehört in die Klasse der extrinsischen. Hier kommt ein neuartiges Messprinzip zum Einsatz, genannt Strahlprofil-Analyse, erfunden bei BASF. Nachdem sich dieses Konzept als sehr äußerst vielversprechend gezeigt hat, wurde der Bereich als eine eigene Tochterfirma ausgegründet. Optischer Sender und Empfänger befinden sich hier – im Gegensatz zum verbreiteten Triangulationsverfahren – im selben Gehäuse. An der eigentlichen Messstelle sitzt nur ein ganz kleiner Messkopf, der lediglich eine mechanische Halterung für die Faserenden und eine einfache abbildende Optik enthält. Er ist monokular ausgeführt, d. h. die einzige Linse dient sowohl zum Kollimieren des gesendeten Lichtstrahls als auch zum Sammeln des vom Messobjekt reflektierten Lichts.
In der Auswerteeinheit strahlt eine Lichtquelle sichtbares oder Infrarotlicht in eine zentrale Sendefaser, die zum Messkopf führt, dort von der Linse gebündelt wird und auf das zu erfassende Objekt fällt. Der hier sehr kleine Lichtfleck wird mithilfe derselben Linse auf die Oberfläche eines optischen Sensors abgebildet - ganz bewusst nicht in der Brennebene, sondern gezielt unscharf, so dass er sich zu einen größeren Kreis aufweitet.
Das Licht tritt dann in die Enden von mehreren um das Zentrum herum liegenden Empfangsfasern im selben optischen Kabel ein (Bild 7), läuft durch diese zur Auswerteeinheit (Bild 8) und fällt dort auf einen geeigneten optischen Detektor. Das kann im Prinzip ein normaler CMOS-Bildsensor sein; allerdings wäre ein solcher für viele schnell ablaufende industrielle Prozesse zu träge und würde außerdem eine aufwändige Software zur Analyse erfordern. Günstiger sind mehrere einzellige Fotodioden in einer ausgeklügelten Anordnung; sie reagieren bedeutend schneller und kommen mit einer einfachen Analogelektronik aus.
Das wesentliche Merkmal der Strahlprofil-Analyse: Sie arbeitet komplett unabhängig vom Durchmesser des Lichtflecks. Somit ist sowohl eine divergierende LED als auch ein kollimierter Laser als Lichtquelle verwendbar. Ausgangsbasis zur Berechnung des Abstands ist die relative Intensitätsverteilung zwischen den einzelnen Messpfaden. Die absolute Lichtintensität und die Farbe bzw. die Reflektivität des Objekts spielen keine Rolle, auch nicht die Eigenschaften der Fasern wie Typ, Länge oder Material. Deshalb ist der Einsatz günstiger Kunststofffasern und temperaturstabiler Glasfasern, aber auch Ein- oder Multimodenfasern mit beliebiger Länge möglich. Bewegliche mechanische Teile wie einstellbare Objektive oder Irisblenden sind nicht erforderlich. Der Messbereich ist 25 bis 120 mm, der Linearitätsfehler bleibt unter 1 mm.
Die möglichen Anwendungen von XperYenZ liegen vor allem im Bereich hochautomatisierter Fertigung, in denen Konzepte wie Industrie 4.0 umgesetzt werden sollen. In der Verpackungsindustrie ist ein typisches Beispiel die Kontrolle, ob in jeder Keks- oder Tablettenpackung ein Produkt liegt. Das Einsparpotential eines eng überwachten und voll automatisierten Produktionsprozesses übersteigt die Kosten für XperYenZ-Fasersensoren um ein Vielfaches.
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