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wlb - Wasser, Luft und Boden 4/2016

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Der Sensor wird

Der Sensor wird selbstständig Sind smarte Sensoren der Stein der Weisen in der Wasseranalytik? Matthias Kremer Übersetzt man das Wort „smart“ wird man auf „intelligent“ kommen. Ob ein technisches Produkt „intelligent“ sein kann, ist sicherlich noch nicht ausdiskutiert. Bezeichnet man eine Person als „smart“, meint man aber auch mehr: klug, gewandt, vorausschauend, selbstständig, gewitzt, agil, flott und schnell – durchaus alles positive Attribute. Was davon trifft auf „smarte Sensoren“ zu? Bringen uns diese Attribute Vorteile in der Messtechnik, sind sie übertragbar? Betrachtet man physikalische Sensoren muss einem eines immer bewusst sein: das eigentliche Sensorelement, in dem die physikalische oder chemische Messgröße aufgenommen wird, ist und bleibt ein analoges, den physikalischen Eigenschaften seines Messprinzips folgendes Stück Technik. Erst durch die Weiterverarbeitung und Verstärkung des analogen Signals in einer Elektronik entstehen aus den physikalischen Effekten verwertbare Messwerte. Ist das schon smart? Das wäre nun wirklich nichts Neues. Selbst wenn die Umwandlung der physika- lischen Signale in einer digitalen Elektronik erfolgt, ist außer einer anderen Form der Sig nalumwandlung noch nichts „smartes“ geschehen. Schließt man solche Sensoren an moderne, aber separate Messverstärker an, kann man zusätzliche Funktionen realisieren: mehrere Sensoren verarbeiten, Berechnungen durchführen, Plausibilitäten überwachen, Fehlermeldungen generieren, Meldungen absetzen bis hin zur Datenübermittlung ins Internet oder eine Cloud. Ab wann ist der Sensor smart? Bei den „smarten Sensoren“ wird nun, dank immer höherer Integrationsdichte bei den elektronischen Bauelementen und gestiegener Rechnerleistung selbst kleinster Mikroprozessoren, diese Zusatzarbeit des Messverstärkers näher an das analoge Ur-Sensorelement herangerückt, in den mechanischen Körper des Sensors integriert. Augenscheinliche Vorteile: die Verdrahtung wird eingespart, Messfehler werden evtl. minimiert, auf spezielle Messverstärker je Messgröße kann verzichtet werden. Statt analoger Messwertübertragung können nun auch direkt digitale Schnittstellen bereits am Sensor die Kommunikation übernehmen. Der Sensor wird zum selbstständigeren Teil einer Anlage. Bei entsprechender Auslegung seiner Firmware, der Sensorsoftware, speichert er seine individuellen Kalibrierdaten, seine Stressdaten (Min./Max.-Werte; Grenzwertüberschreitungen), führt Berechnungen und Linearisierungen durch, meldet vielleicht sogar vorausschauend mögliche Fehler. In Bussystemen kann sich ein solcher Sensor sogar selbstständig in der Anlage anmelden und somit einen erleichterten Austausch erlauben. Dieses selbstständige und vorausschauende Handeln des Sensors kann man durchaus als „smart“ bezeichnen – intelligent ist dies noch nicht. Die Intelligenz bleibt beim Programmiere – dem Menschen. Was er nicht vorgesehen hat, wird der smarte Sensor nicht leisten. Wo lohnt der Einsatz? Wenn wir akzeptieren, dass die Integration einer digitalen Messwertaufbereitung, eine soft- und hardwaretechnische Fehlerüberwachung, Linearisierungen und Grenzwertspeicherungen sowie die „on board“ befindlichen Kalibrierdaten bereits ein Stück mehr smarte Technologie bedeuten, dann können wir viele Sensoren auf dem Markt bereits als heute „smart“ bezeichnen. Anders als in neuronalen Netzen dürfen wir keine eigenen, wachsenden Aktivitäten eines smarten Sensornetzwerkes erwarten. Das ist auch gut so – eine technische Anlage sollte überschaubar und beherrschbar bleiben. Die Integration einer smarten Elektronik in einen Elementarsensor hat von sich aus schon Vorteile. Betrachtet man zum Beispiel die empfindlichen, hochohmigen Gleichspannungssignale einer elementaren pH-Elektrode ist die Verstärkung, Impedanzwandlung und Skalierung des Signals so nahe wie möglich am Entstehungsort des Messwertes für die Messwertübertragung und Messsicherheit von großer Bedeutung. Die Kalibrierdaten, die bei der regelmäßig Autor: Dipl.-Ing. Matthias Kremer, Branchen manager Wasser/Abwasser, JUMO GmbH & Co.KG, Fulda 14 wlb 4/2016

WASSER-/ABWASSERTECHNIK notwendigen, nasschemischen Justierung (Kalibrierung) solcher elektrochemischer Sensoren anfallen, sollten dann auch gleich mit gespeichert werden. Damit wird sogar solch ein traditionell anmutender Sensor zum smarten Teil einer Anlage. Aber hier kommen ökonomische und ökologische Aspekte ins Spiel. Denn bei aller technischer Machbarkeit ist immer abzuwägen, ob die Hochtechnisierung eines einfachen Sensors sinnvoll ist. Bei der klassischen pH- oder Redox-Elektrode kommt noch hinzu, dass es sich um Verschleißmaterial handelt, das heißt, die Nutzungsdauer je nach Applikation auf wenige Wochen bis einige Monate beschränkt ist. Der analoge Sensor selbst ist Wegwerfteil – aber muss die Elektronik dann auch entsorgt werden? Intelligent ist es dann wieder, wenn die smarte Elektronik weiter genutzt werden kann und nur das analoge Verschleißteil gewechselt werden muss. Diese Möglichkeiten bieten z. B. das Jumo Digiline-System für digitale, smarte pH- und Redox-Sonden. Wohin geht die Entwicklung? Der Hype um Industrie 4.0 treibt die Hersteller von Sensoren ein klein wenig vor sich her. So richtig zu realisieren gibt es noch wenig. Keiner möchte aber sagen, er mache da nicht mit. Daten sammeln in einer Cloud soll ebenfalls neue Geschäftsmodelle ermöglichen. Industrie 4.0, IoT (Internet of Things, Smart-/Big Data) vieles wird in den Mund genommen und schafft es aber nicht ins Gehirn. Es wird Sparten geben, in denen solche nur zum Teil neuen technischen Möglichkeiten echte Vorteile bringen. Vielleicht auch nur ganz kleine Aspekte daraus, die man auch überblicken kann. Die Messumformer der Digiline-Serie zur Flüssigkeitsanalyse ermöglichen die Messwertübertragung vom Sensor zum Mess- bzw. Automatisierungsgerät per digitaler Bus-Kommunikation oder als Analogsignal Es hapert vielleicht schon an der Beherrschung der Datenmengen und der guten Ideen, was mit den gesammelten Sensormesswerten eigentlich noch gemacht werden könnte und sollte. Und schließlich muss es noch Kunden geben, die dafür zusätzlich bezahlen wollen. Einen echten „Break“, also eine vollständige Abkehr von heute bewährten Sensoren und Messtechniken, wird es in absehbarer Zeit nicht geben. Fest steht: Eine Vernetzung smarter Sensoren eröffnet den Ingenieuren neue Gestaltungsmöglichkeiten von Anlagen und Verfahren. Es wird aber keine Revolution sein. Es gibt Auftrieb im Geschäftsleben und lässt vielleicht noch verschiedene Welten aufeinander zugehen: beschäftigt man sich mit Industrie 4.0 und smarten, digitalen Sensoren und Systemen müssen sich die Werks-IT-Mitarbeiter plötzlich mit profaner Messtechnik auseinandersetzen. Und der erfahrene Sensorspezialist mutiert zum Netzwerk- und Internetguru. Fotos: Fotolia, Jumo www.jumo.net BSK ® -Turbine Der Oberflächenbelüfter bsk-turbine.de Biogest International ® GmbH | Berthold-Haupt-Str. 37 | 01257 Dresden | Phone: +49 (351) 3 16 86 -0 | Fax: +49 (351) 3 16 86 -86 | E-Mail: info@biogest-international.de Biogest.indd 1 17.10.2016 09:59:12 wlb 4/2016 15