Neue Entwicklungen und Trends in der Sensorik und Messtechnik

Messsysteme werden intelligenter

von Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schütze

Vom 19. bis 21. Mai 2015 veranstaltet der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik die AMA Kongresse SENSOR und IRS2 in Nürnberg. Vertreter aus Wissenschaft und Industrie präsentieren neue Forschungsergebnisse, parallel dazu lädt die Fachmesse SENSOR+TEST 2015 die Teilnehmer zum Innovationsdialog ein. chemie&more war im Gespräch mit Prof. Dr.rer.nat. Andreas Schütze, Inhaber des Lehrstuhls für Messtechnik der Universität des Saarlandes und Vorsitzender des AMA Wissenschaftsrates sowie der ­Jury des AMA Innovationspreises.

Herr Professor Schütze, können Sie einen kurzen Überblick zu den zentralen Themen des diesjährigen SENSOR-Kongresses in Nürnberg geben?

Schon fast traditionell nehmen Gassensorik und Gasmesstechnik einen großen Raum ein, wobei das Spektrum breit ist – von den Materialien und Technologien über Messmethoden und Auswerteverfahren bis zu den Applikationen. Ein Trend dort ist der Einsatz dynamischer Messverfahren, um damit die Selektivität zu verbessern, aber auch, um eine Sensorselbstüberwachung zu ermöglichen. Weitere Schwerpunkte liegen auf optischen Messverfahren sowie in der Sensorik für fluidische Anwendungen, beide jeweils mit einem breiten Spektrum von den grundlegenden Sensorelementen und Messverfahren bis zu den Anwendungen auch in der Prozessmesstechnik. Auf dem Kongress IRS², der zukünftig mit dem SENSOR-Kongress verschmelzen wird, wird deutlich, dass IR-Sensoren und -Systeme zukünftig einen breiteren Raum einnehmen werden als Basistechnologie für ganz unterschiedliche Felder wie Prozesskontrolle, Gebäudetechnik und Haushalt, aber auch im Bereich der Sicherheit.

Viele neue Themenfelder werden in den Vorträgen und Posterpräsentationen adressiert. Welche neuen Trends und Anwendungsfelder für die Sensorik und Messtechnik sind hieraus ableitbar?

In allen Feldern ist zunehmend zu erkennen, dass der Sensor alleine in der Regel nicht die Lösung ist, sondern dazu auch die Messwerterfassung, -aufbereitung und -verarbeitung betrachtet werden müssen – also die Messtechnik hinter dem Sensor. Dieser Trend ist sicher nicht neu, aber gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil damit Sensorik und Messtechnik verstärkt verschmelzen und daraus die Innovationen generiert werden. Gleichzeitig setzt sich die Minia­turisierung durch Einsatz von Mikro- und Nanotechnologien fort, die zu einem starken Anstieg der Sensorik in allen Anwendungsbereichen führt, weil mehr preiswerte und winzige Sensoren verfügbar sind. Und da gleichzeitig auch die Energieversorgung mittels Energy Harvesting aufgegriffen wird, gibt es einen Trend hin zu drahtlosen Sensornetzwerken – sowohl im industriellen Umfeld für die Logistik und Zustandsüberwachung als auch z.B. in der Umweltmesstechnik. Ich persönlich sehe noch einen weiteren Trend, nämlich den Übergang von der Datenerfassung zur ­Dateninterpretation, von der Zustands­überwachung zur Zustandsbewertung. Das heißt, die Messsysteme werden intelligenter, können sich zunehmend selbst überwachen und kalibrieren und signalisieren übergeordneten Systemen, wenn z.B. ein Prozess aus dem normalen Prozessfenster hinausläuft.

Welche Schlüsse lassen sich daraus im Hinblick auf die typischen Applikationen in der Prozessmesstechnik ziehen? Welche Trends zeichnen sich hier ab?

In der Prozessmesstechnik steigen natur­gemäß die Anforderungen an Messgenauigkeit, Ansprechverhalten und Zuverläs­sigkeit, insbesondere wenn es um die Überwachung sicherheitskritischer Prozesse geht, aber auch für die normale Prozesskontrolle, um Ausschuss zu reduzieren und die Qualität zu erhöhen. Ein weiterer Trend ist die Ausdehnung der Messungen in den Prozess selbst, sei es durch Hochtemperatursensorik oder berührungslose Verfahren mit Ultraschall oder elektromagnetischen Wellen über einen weiten Frequenzbereich. Ohnehin gewinnen spektroskopische und andere, inhärent mehrdimensionale Methoden an Bedeutung, z.B. auch die Impedanzspektroskopie. Letztlich erfasst man mehr Messsignale aus dem Prozess, muss diese aber auch geeignet interpretieren, da die gewünschte Information nur indirekt enthalten ist. Ziel ist hier, gerade in der Verfahrenstechnik, nicht nur die üblichen physikalischen Größen zu erfassen, sondern auch die Stoffzusammensetzung und -verteilung.

Parallel zum SENSOR-Kongress findet die Fachmesse SENSOR+TEST statt. Welche ­Synergieeffekte ergeben sich hieraus?

Für Forscher und Hersteller ist Nürnberg seit vielen Jahren der Treffpunkt, um sich einerseits über den Bedarf und andererseits über technologische Neuentwicklungen auszutauschen. Wir beobachten an manchen Inhalten, z.B. der Gasmesstechnik, dass sich Themen, die vor einigen Jahren noch ausschließlich im Kongress zuhause waren, heute verstärkt in der Messe wiederfinden. Für den Innovationsprozess ist ein solcher Austausch von Wissenschaft und Wirtschaft, sowohl Hersteller als auch Anwender, immens wichtig, um schnell und zielgerichtet Ideen in Produkte umzusetzen. Besonders augenscheinlich ist das für junge Unternehmen, die wissenschaftliche Erkenntnisse in neue Produkte überführen: Sie können sich gleichzeitig über den Stand der Forschung informieren und ihre Produkte den Kunden präsentieren.

Das Sonderthema der diesjährigen SENSOR+TEST ist die Umweltmesstechnik. Welche Aufgaben übernehmen Sensoren und Messsysteme beim Monitoring von Umgebungsbedingungen?

Hier hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass hochgenaue, aber teure und häufig langsame Analytik für die Umweltmesstechnik durch preiswerte Sensorsysteme sehr gut ergänzt werden kann, die, in großer Stückzahl stationär oder mobil eingesetzt, eine deutlich bessere räumliche und zeitliche Auflösung erlauben. Hier gibt es interessante Ansätze, um z.B. in Städten die gesündeste Route für Fahrradfahrer durch die Stadt in Echtzeit anzuzeigen. Das gilt heute vor allem für die Messung von Luftschadstoffen, wo bereits umfangreiche Untersuchungen auch von Normungsgremien durchgeführt werden, um die Messqualität der Sensorsysteme zu bewerten. Dabei wird schnell deutlich, dass eine umfangreiche Signalverarbeitung erforderlich ist, um die erfassten Rohdaten sinnvoll aufzubereiten. Mit preiswerten Sensorsystemen können aber auch völlig neue Größen erfasst werden, z.B. Geruchsbelastung durch Korre­lation von Sensordaten mit Meldungen von Bürgern. Zukünftig erwarte ich ähnliche Lösungen auch für die Wasserqualität, die ja weltweit ein zunehmendes Problem darstellt.

Last, but not least: Eine letzte Frage an den Juryvorsitzenden des AMA Innovationspreises 2015: Welche Themen bzw. Innovationen werden hier seitens der nominierten Forscherteams gezielt angesprochen, besonders im Hinblick auf mögliche Applika­tio­nen in der Prozessindustrie?

Ein recht erheblicher Anteil der eingereichten Beiträge betrifft ja direkt Anwendungen in der Prozessmesstechnik, z.B. das für den AMA Innovationspreis nominierte radar­basierte Füllstandsmessgerät der Fa. Krohne, gemeinsam entwickelt mit der Uni Dortmund. Generell erkennt man an den Einreichungen den Trend zu „schneller, besser, preiswerter und zuverlässiger“. Dies wird vielfach dadurch erreicht, dass man näher an den Prozess heran- oder sogar in den Prozess hineingeht – bis hin zur direkten Beobachtung der Phasen- und Gefügeausbildung in Stahl-Hochleistungsbauteilen. Die Miniaturisierung der Sensorik spielt dabei ebenso eine Rolle wie optisch-spektroskopische Verfahren. Und auch hier wird immer klarer: Nur Sensor und Messtechnik, gemeinsam abgestimmt auf die Anwendung, erlauben nachhaltige Innovationen.

Herzlichen Dank für das Gespräch!

(Interview: Dr. Johannes Jochum)