Magnetische und optische
Sensoren für die Analysetechnik

Magnetische und optische Sensoren für die Analysetechnik
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Zentrifugeneinheit in der Analysetechnik
04.03.2015 | In der Analysetechnik herrschen hohe Anforderungen an die zum Einsatz kommenden Komponenten. Insbesondere die eingebauten Sensoren müssen ein hohes Maß an Präzision, Sicherheit und Unempfindlichkeit gegenüber externen Einflüssen bieten. SIKO fertigt ein breites Spektrum an Längen-, Winkel- und Drehzahl- Messtechniken, die die Erfordernisse in der Analysetechnik exakt erfüllen.

Bei der Entscheidung für einen magnetischen oder optischen Sensor, inkrementale oder absolute Messtechnik, kommt es auf kundenspezifische Wünsche und Gegebenheiten an.

Ob sich ein magnetischer oder ein optischer Sensor besser für eine Anwendung in der Analysetechnik eignet, lässt sich nicht pauschal beantworten. Beide spielen ihre Vorteile in der jeweiligen Anwendungsumgebung aus.

Grundsätzlich sind in der Analysetechnik besonders optische Sensoren geeignet, da sie eine hochpräzise Messwerterfassung von bis zu +/- 5 µm sowie eine sehr hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit (0,1 bzw. 0,05 µm beim optischen Sensor LSC20) auszeichnet.

Magnetische Sensoren (z. B. MSK1000 als inkrementaler Sensor und MSA111C als absoluter Sensor) dagegen haben eine marginal geringere Systemgenauigkeit von bis zu +/- 10 µm. Dafür punkten sie mit ihrer Robustheit und Kosteneffizienz: Dank ihrer berührungslosen Funktionsweise sind sie verschleißfrei und verursachen nur einen geringen Wartungsaufwand.

Optische Sensoren sind empfindlicher, was Verschmutzungen angeht. Sie eignen sich z. B. nicht in einer staubigen Umgebung. Auch können Fingerabdrücke bzw. Fettablagerungen auf dem Band den optischen Sensor stören. Dagegen sind magnetische Sensoren unempfindlich. Letztere sind zudem flexibler bei der Installation, insbesondere bei größeren Messlängen. Die Abstände zwischen Sensor und Band müssen hier im Gegensatz zum optischen Prinzip nicht so gering sein; Abstände von bis zu 1,3 mm bei Absolutsensoren und sogar bis zu 20 mm bei Inkrementalsensoren sind unproblematisch. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus ihrer kleinen und kompakten Bauweise. Bis zur Platinenlösung sind verschiedene Baugrößen möglich; ebenso wie individuelle Steckerausführungen oder Einbau in ein kundenspezifisches Gehäuse. Wenn es die hohe Systemgenauigkeit also nicht unbedingt erfordert, sind magnetische Sensoren die passende Wahl. Nicht zuletzt sind sie auch preisgünstiger als optische Sensoren.
 
Neben der Abwägung zwischen optischen und magnetischen Sensoren stellt sich auch die Frage nach dem Messverfahren. Gängig ist das inkrementale Verfahren: Ein Magnetband ist regelmäßig mit Nord- und Südpolen kodiert. Ein Sensorkopf, in dem Sensorelemente sitzen, fährt in einem definierten Abstand über dem Band entlang und liest die Magnetfelder aus. Dabei wird intern hochgezählt – so funktioniert die inkrementale Sensorik. Bei der Absolutsensorik handelt es sich um ein Zweispurband, d. h. auf der einen Seite befindet sich eine inkrementale Spur, während die andere Spur absolut kodiert ist. Auf einer bestimmten Länge des Bands kommt diese Kodierung also nur einziges Mal vor. Der Vorteil daran ist, dass der Sensor hiermit stets genau weiß, an welcher Position er sich befindet. Im Falle eines Stromausfalls müsste beim inkrementellen Verfahren dagegen eine Referenzfahrt durchgeführt werden, um den Sensor wieder auf einen bestimmten Referenzpunkt zu bringen, der dann an die Steuerung zurückgemeldet wird. Um diesen Prozessschritt zu vermeiden, kann eine Batterie als Back-up-Lösung installiert werden, 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.


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Pipettier Roboter

SIKO-Sensoren im Pipettierroboter
Wie eine solche Zusammenarbeit in der Analysetechnik aussehen kann, zeigt sich am Beispiel einer Pipettieranlage, die SIKO mit magnetischer Messtechnik ausgestattet hat. Automatische oder halbautomatische Pipettieranlagen werden zum Beispiel für Blutanalysen eingesetzt. Sie sind mit Linearmotoren zur Positionierung der einzelnen Achsen ausgestattet. Es gibt drei Achsen, auf denen sich der Pipettierroboter in allen drei Raumdimensionen bewegt. Die überwachung der Motorsteuerung erfolgt in diesem Fall durch magnetische Absolutsensoren. Diese geben ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurück. SIKO hat hier sehr flexibel auf die Kundenwünsche reagiert, da zwei Achsen bereits mit kundeneigenen Magnetsensoren bestückt wurden und SIKO dazu nur die entsprechenden Magnetbänder mit einer Spezialcodierung geliefert hat. Die Längsachse wiederum verfügt über einen SIKO-Sensor mit entsprechendem Magnetband. Dabei mussten auch die sehr engen Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Angedacht war zunächst der Sensor MSA501, der jedoch von der Größe her nicht verbaut werden konnte.

Daher entschied man sich für eine Platinenlösung, d. h. es wurde nur die Platine des Sensors mit den Sensorelementen darauf direkt in das Gehäuse des Kunden eingebaut. Eine reine Platinenlösung ist nicht ohne weiteres möglich, insbesondere wenn viel Verschmutzung auftritt oder der Sensor mit Wasser in Berührung kommen würde. Er benötigt in der Regel einen geschützten Raum, in diesem Fall das vorhandene Gehäuse des Pipettierroboters. Positiver Nebeneffekt der abgespeckten Sensorvariante auf nur die nötigsten Komponenten: eine Kostenreduktion für den Kunden.
 
Ein weiterer Bereich in der Analysetechnik, in der SIKO-Sensoren zum Einsatz kommen, sind Zentrifugeneinheiten. Diese Zentrifugen sind beispielsweise als Probensammler für DNA-Analysen beliebt. Die Kapillarröhrchen mit den DNA-Proben müssen bis zu 10 µm genau positioniert werden, um sie mit einem Spektrometer zu analysieren. Es werden mehrere Temperaturzyklen bis zu 95 °C gefahren. Eine genaue Position der Probenröhrchen ist wichtig damit man bei der Messung mit dem Spektrometer kein Rauschen auf Kurve hat.
Mit einem Magnetring und in der Regel einem Inkrementalsensor kann im 360°-Winkel die genaue Position bestimmt werden. 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.


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