Smart sensors en hun waarde voor de maakindustrie Wat zijn en doen slimme sensoren?

Slimme sensoren – of smart sensors – onderscheiden zich van standaard sensoren door een stukje geïntegreerde intelligentie. Hiermee kunnen deze sensoren niet alleen meten, maar de meetwaarde ook zodanig bewerken dat de output direct bruikbaar is. Bovendien zijn met de extra intelligentie analyses uit te voeren waarmee de slimme sensor in staat is gefundeerde beslissingen te nemen en relevante informatie door te sturen naar de controller.

De ontwikkelingen op het vlak van sensoren zijn de afgelopen jaren om verschillende redenen snel gegaan. Zo zijn de technische ‘zintuigen’ nauwkeuriger, energie-efficiënter en compacter geworden. Maar er gebeurde meer: Door op dezelfde chip niet alleen het sensorelement, maar ook een stukje elektronica te plaatsen, ontstond de zogenaamde ‘slimme sensor’. Dit stukje elektronica - de Digital Motion Processor (DMP) – is een microprocessor die in staat is diverse bewerkingen uit te voeren met de meetwaarden die de sensor genereert. Deze processor is – afhankelijk van de toepassing –aan te vullen met onder andere transducers, versterkers en filters.

In figuur 1 het blokschema van de slimme sensor. Dit blokschema bevat verschillende onderdelen zoals een detectie-eenheid (de sensor zelf), signaalconditionering, analoog naar digitaal conversie, toepassingsalgoritmen (om een bewerking of analyse uit te voeren), een lokale gebruikersinterface, geheugen en communicatie-eenheid of zendontvanger. Dit laatste blok is van belang omdat slimme sensoren hiermee hun gegevens kunnen doorgeven in een netwerk of versturen naar een centrale locatie voor analyse en het vaststellen van trends. Bekabeld of draadloos. Om die redenen zijn slimme sensoren ook de onmisbare elementen in de zogenaamde IoT (Internet of Things) applicaties waarin verschillende elementen uit een systeem met elkaar kunnen ‘praten’ om processen optimaal te laten verlopen.

De extra elektronica biedt ook aanvullende voordelen in de vorm van een hogere S/N verhouding, een snelle signaalconditionering, mogelijkheid tot automatische kalibratie en zelftest en een hogere betrouwbaarheid.

Typen slimme sensoren

Slimme sensoren zijn in praktisch iedere sector toe te passen. Voor de maakindustrie zijn er vijf hoofdtypen te onderscheiden waarop ook verschillende andere sensoren zijn gebaseerd.

Niveausensoren

Niveausensoren zijn in te delen in twee typen voor het meten van respectievelijk het puntniveau en een continu niveau. Een puntniveausensor wordt gebruikt om aan te geven of een vloeistof een exact punt in een container heeft bereikt. Sensoren van het continue niveautype worden gebruikt om nauwkeurige metingen van het vloeistofniveau te leveren. Deze sensoren worden voornamelijk gebruikt in de auto-industrie en productie.

Temperatuursensoren

Met temperatuursensoren is de temperatuur van zowel gassen, vloeistoffen als vaste stoffen te meten. Deze sensoren worden in veel processen en machines toegepast. Dit type sensor is beschikbaar in verschillende typen die zich onderscheiden door het meetprincipe. Hierbij valt te denken aan RTD’s, NTCthermistors, thermozuilen en thermokoppels. De populariteit van deze sensor hangt samen met het feit dat temperatuur een parameter is die veel kan zeggen over de werking van een machine of verloop van een proces. Een gelijkblijvende temperatuur is vaak een indicatie voor een stabiel proces terwijl vooral een stijging van temperatuur kan duiden op slijtage, het aanlopen van onderdelen, verstoorde uitlijning door een calamiteit, onvoldoende koeling enzovoorts. Tijdig ingrijpen is dan gewenst omdat oververhitting tot gevaarlijke situaties en veel schade kan leiden.

Druksensoren

Een druksensor is een transducer die de invoer van mechanische druk verandert in een elektrisch uitvoersignaal. Er zijn verschillende soorten druksensoren beschikbaar op basis van capaciteit, grootte, detectietechnologie, meetmethode en uitvoervereisten. Ook hier geldt dat een stabiele druk wijst op een stabiel proces. Drukverhoging kan duiden op een verstopping of een vol filter terwijl drukverlaging vaak is te koppelen aan een lek of een andere manier van schade aan de installatie.

Infraroodsensoren

Sensoren die infrarood – warmtestraling – meten, worden veel gebruikt in warmtebeeldcamera’s of contactloze infraroodthermometers. Ook hiermee is bewaking van temperatuur mogelijk, maar dan op afstand en contactloos. Hiermee zijn infraroodsensoren onder meer geschikt voor gebruik búiten een specifiek gevaarlijke locatie om toch de temperatuur te monitoren.

Nabijheidssensoren

Een nabijheidssensor wordt gebruikt om de aanwezigheid van objecten in de omgeving op te merken zonder er contact mee te maken. Deze sensoren worden vaak gebruikt om te waarschuwen voor botsingen en deze te voorkomen. De werking van deze sensoren is gebaseerd op licht, geluid (trillingen), IR-straling of elektromagnetische velden om een object op te merken.

Voorbeelden

Deze zojuist genoemde vijf basistypen zijn allemaal uit te voeren als slimme sensor door de toevoeging van de elementen zoals weergegeven in figuur 1. Hiermee vinden zij hun toepassing in onder meer virtual Augmented en Mixed Reality (VR/AR/MR)-apparaten, smart home toepassingen, slimme steden, logistiek en transport, smart grids, gebouwen, landbouw, medische toepassingen, omgevingsmonitoring en natuurlijk: de intelligente productie. Moderne CNC-bewerkingsmachines zijn bijvoorbeeld voorzien van krachtige sensoren voor het detecteren van verplaatsing, positie, snelheid, druk, en zelfcorrectie. Het proces wordt bewaakt door visuele bewakingstechnologie op basis van visionsensoren. In geautomatiseerde maakprocessen spelen slimme sensoren weer een rol bij het detecteren van de juiste producten, de juiste stand, snelheden, kleur enzovoorts.

Juist door de geïntegreerde intelligentie kunnen slimme sensoren de processen zelfstandig bewaken, bijsturen

(zie kader) of bij calamiteiten het proces gecontroleerd stoppen. Op deze manier kan de maakindustrie slimme sensoren inzetten om onder meer de procesbetrouwbaarheid te verbeteren, onderhoud en installatie te vereenvoudigen, kwaliteitscontroles uit te voeren, eenvoudiger storing te zoeken en processen te optimaliseren.

Voorbeeld toepassing slimme sensoren

In horizontale vorm-, vul- en sealmachines kunnen slimme sensoren controleren of een getransporteerd object de juiste afmetingen heeft en correct is gepositioneerd op het transportsysteem. Dit gebeurt door detectie van de objecten zelf en de tussenruimtes. Wanneer de gemeten waarden afwijken van de richtwaarden, zullen de slimme sensoren dit doorgeven aan de besturing die op basis hiervan bijvoorbeeld de snelheid aanpast of zelfs een actuator aanstuurt om een afgekeurd product uit het proces te stoten.