Wenn es darum geht, Druck, Kraft, Drehmoment oder Beschleunigung exakt zu erfassen, sind hochsensible piezoelektrische Sensoren in vielen Industrien die Technik der Wahl. Die Erfindung des analogen Ladungsverstärkers im Jahr 1950 setzte den Grundstein für den Erfolg des Quarzsensors. Erst der Ladungsverstärker übersetzt die minimale elektrische Ladung, die die Quarzkristalle abgeben, in gängige Messgrößen. Mit zunehmender Automatisierung und Digitalisierung rücken Sensoren in der Fertigung immer mehr ins Rampenlicht, da sie zwingend erforderlich sind für eine zuverlässige Datenlage in der Industrie 4.0.

Als zentrales Bauteil der Messkette müssen auch die Ladungsverstärker an neue Bedingungen und Anforderungen angepasst werden. Daher gibt es neben rein analogen Lösungen erste digitale Ladungsverstärker. Die direkte Übersetzung der analogen Messsignale in digitale Daten ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur durchgängig smarten Messkette. 

Aber: Während es bei manchen Anwendungen auf einen breiten Messbereich ankommt, sind in anderen Bereichen grundlegende Parameter, wie etwa die Größe oder das Gewicht des Bauteils entscheidende Faktoren – und alle erfordern verlässliche Mess-Ergebnisse. Digitale Lösungen erzielen hier meist deutliche Verbesserungen im Vergleich zur analogen Technik. Doch mit den Fortschritten an Schnelligkeit und Präzision insbesondere in den letzten Jahren sind auch die Ansprüche der Anwender an digitale Lösungen weiter gewachsen. Digitalisierte Prozesse sollen zu möglichst 100 % akkurat und in einem Bruchteil der Zeit erledigt werden, die rein analoge Technik benötigt hätte.

Auch bei Ladungsverstärkern weisen digitale Lösungen Vorteile gegenüber der analogen Technik auf: Zum einen ermöglichen sie mit weniger Hardware einen durchgängigen Datenaustausch mit übergelagerten Systemen. Zum anderen entfallen bei digitalen Signalen die im analogen Betrieb üblichen Störgrößen durch induktive oder kapazitive Einkopplungen, da die Digitalisierung des analogen Rohsignals bereits im Verstärker erfolgt. 
Vielen Anwendern ist jedoch kaum bewusst, dass die Digitalisierung auch spezielle Herausforderungen mit sich bringt. Eine solche Herausforderung, mit der sich Messtechniker konfrontiert sehen, betrifft die Datenübertragungs-rate. Hier lautet die entscheidende Frage: Wie schnell muss es sein? Steht die Geschwindigkeit im Fokus der Anwendung?

Herausforderung Übertragungsrate

Analog, digital sowie digital mit IO-Link- Technologie und mit der Möglichkeit zum analogen Betrieb sind die Ladungsverstärker von Kistler für unterschiedliche Anforderungen ausgelegt.

© Kistler

In der Tat ist es schwierig, die analoge Technik zu übertreffen, wenn es um die Kategorie Übertragungsgeschwindigkeit geht – nichts lässt sich so schnell übertragen wie ein analoges Messsignal.
Das Problem ist, dass Abstriche bei der Geschwindigkeit in einigen Bereichen keine Option sind – etwa dann, wenn es um die Übertragungsrate bei der Prozessregelung geht. Ein Beispiel aus dem Kunststoffspritzguss zur Verdeutlichung: Wollen Anwender den Umschaltpunkt analysieren und optimieren, müssen sie Prozesse in Echtzeit überwachen können. Denn wichtig ist der optimale Umschaltpunkt von geschwindigkeits- zu druckgeregeltem Einspritzen, weil sich damit die Qualität der produzierten Bauteile nachhaltig verbessern lässt. Voraussetzung dafür ist jedoch, diesen Punkt präzise bestimmen und ohne Zeitverzögerung in den Prozess eingreifen zu können.

Auch bei Störungen im Messkanal ist Zeit ein zentraler Faktor. Je schneller das System kritische Parameter erkennt, desto schneller kann es korrigierend eingreifen. 
Den Entwicklern bei Kistler war es angesichts des zentralen Faktors Geschwindigkeit beim ersten digitalen Ladungsverstärker wichtig, dass ihre Lösung einer analogen Übertragung in industriellen Systemen in nichts nachsteht. Zudem sollte der digitale Ladungsverstärker flexibel einsetzbar sein und möglichst viele unterschiedliche Messaufgaben bewältigen können. 

Das Ergebnis nennt sich ‚Typ 5074 dICA‘ (digital Industrial Charge Amplifier). Der digitale Ladungsverstärker ist Industrial-Ethernet-kompatibel und verfügt über einen weiten Messbereich von 20 bis 1.000.000 Picocoulomb (pC). Dank Schutzklasse IP67 eignet er sich auch für raue Umgebungen. Mehrere Kanäle erlauben den Anwendern die maximale Kontrolle. Dabei lassen sich die Kanäle einzeln und zeitlich präzise ansteuern, sodass verschiedene Prozesse parallel über einen einzigen Ladungsverstärker laufen können. Vor allem aber bietet der Ladungsverstärker eine Übertragungsrate von 50 kSps pro Kanal – die Echtzeit-Übertragung von Messdaten ist bei Zykluszeiten bis minimal 100 μs möglich. 

Anschluss via IO-Link

Stefan Affeltranger ist Produktmanager im Bereich Production Monitoring bei Kistler Instrumente, Winterthur.

© Kistler

Gerade wenn Sensorik an beweglicher Automatisierungstechnik wie Roboterarmen im Einsatz ist, kommt es bei jedem zusätzlichen Bauteil auf Größe und Gewicht an, um den Roboter nicht zu behindern. Ergo sind hier kleine und leichte digitale Ladungsverstärker gefragt, umso mehr, als sie weniger Hardware als analoge Verstärker benötigen. Im Gegensatz zum Kunststoffspritzguss stehen sehr hohe Übertragungsraten und die weiten Messbereiche mit vielen Kanälen eher im Hintergrund. So ist der ‚Typ 5074 dICA‘ hier eher überdimensioniert – sowohl was die technischen Merkmale betrifft als auch in puncto Größe und Gewicht. Alternativ bietet Kistler für solche Applikationen den Ladungsverstärker ‚Typ 5028‘ an, der nur einen Messkanal besitzt, was ihn kleiner und leichter macht. Er lässt sich direkt auf gewichtsempfindlicher Technik befestigen.

Dieser Verstärker kommuniziert mittels IO-Link-Technologie und lässt sich so in Digitalisierungskonzepte einbinden. Er besitzt sowohl analoge als auch digitale Schnittstellen; über die digitale Schnittstelle ist er sich direkt ansteuerbar und erlaubt den Datenzugriff. Wird die IO-Link-Komponente ausgetauscht, werden die neuen Parameter automatisch übernommen. Zu beachten ist lediglich, dass der Zyklus des Verstärkers mit dem des Systems übereinstimmen muss, damit das System die Messkurve nicht fälschlicherweise verzerrt. 

Der IO-Link Amplifier unterstützt im digitalen Betrieb Zykluszeiten ab 0,6 ms und ist damit für die meisten industriellen Anwendungen schnell genug. An die Geschwindigkeit des analogen Betriebs reicht sie jedoch nicht heran. Muss der Anwender dennoch extrem schnelle Prozesse exakt messen, kann dies der ana­loge Betrieb leisten. Als analoger Ladungsverstärker betrieben, verfügt der IO-Link Amplifier über einen Reset- und Ope­rate-Eingang. Somit ist in vielen Bereichen die Digitalisierung der Messkette möglich, wo dies bisher technisch, oder wirtschaftlich nicht lohnenswert schien.