Startseite » Messtechnik »

Zukunft der Positionsmessung: Die Nachfolger der Potentiometer

Einbauen und vergessen
Zukunft der Positionsmessung: Die Nachfolger der Potentiometer

Klassische Sensoren zur Weg- und Winkel-messung arbeiten ent-weder mit sich berührenden Flächen oder setzen auf Lichtsensoren – mit ihren jeweiligen Nachteilen. Zwei neue Verfahren auf einem induktivresistivem oder auf Hall-Effekt aufbauendem Messprinzip ermöglichen jetzt ebenfalls die kontaktlose, verschleißfreie Messung von Positionsänderungen. Die Messverfahren und der Aufbau der Sensoren garantieren eine Langzeitkonstanz der Messwerte bei einfachem Austausch gegenüber Potentiometern oder auch beliebigen, neuen durch die Anwendung vorgegebenen Freiformen.

Der Autor Dipl.-Chem. Andreas Zeiff vom Redaktionsbüro Stutensee erstellte den Beitrag im Auftrag der Novotechnik Stiftung & Co., Ostfildern

In der Automatisierungstechnik gilt „Am Anfang steht der Sensor“. Ohne genau zu wissen wo „man“ steht, ist auch die ausgefeilteste Rechnerkomponente mit Supersoftware orientierungslos. Heutige Anwendungen erfordern hochgenaue Positionsmeldungen trotz widriger Umgebungsbedingungen mit Vibration, Schmutz und Temperatureinflüssen. Enge Toleranzen müssen über eine möglichst lange Lebensdauer ohne nennenswerte Drift des Sensors eingehalten werden. Nur so kann die Steuerung dauerhaft exakte, reproduzierbare Bewegungen garantieren.
Wirkungsweise klassischer Sensoren
Klassische Sensoren zur Weg- und Winkelmessung arbeiten entweder mit sich berührenden Flächen wie beim Potentiometer oder setzen auf Lichtsensoren, die über entsprechende Blenden die Weg- oder Winkel-information bereitstellen. Der Nachteil der Lichtsensoren ist eine größere Bauteilgeometrie, die klassischen Potentiometer unterliegen einem mechanischem Verschleiß und können bei Vibrationsbelastung Fehlmeldungen generieren. Zwei neue Verfahren auf einem in-duktiv-resistivem oder auf Hall-Effekt aufbauendem Messprinzip ermöglichen jetzt ebenfalls die kontaktlose, verschleißfreie Messung von Positionsänderungen.
Induktiv-resistives System
Das neue Sensorsystem Indres R arbeitet induktiv. Eine Primär- und eine Sekundärspule sind auf einem Trägermate-rial aufgebracht. Beide werden von einem beweglichen Ferrit mit Luftspalt umschlossen. Nach dem Induktionsgesetz wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, wenn an der Primärspule eine Wechselspannung anliegt. Da sich aber der Feldfluss im Luftspalt des Ferritjochs konzentriert, läuft diese Potentialfront beim Verschieben mit dem Joch des Ferrits mit. Diese Ortsveränderung wird nun durch eine Siebdruckwiderstandsschicht in der Sekundärspule erfasst. Die Ausgangsspannung ändert sich so je nach Stellung des Ferritkerns. Eine Auswertelektronik erzeugt daraus ein analoges oder digitales Signal. Die Auflösung ist nur durch die Auflösegenauigkeit des Analog-Digital-Converters begrenzt. Da die Primärseite nur aus einer Windung besteht, müsste sie für ein ausreichend hohes Ausgangssignal mit einem hohen Strom betrieben werden. Wird statt dessen der Ferritkern als Resonanzkreis ausgebildet, lässt sich dieses Problem umgehen. Auf der Primärseite sind jetzt nur noch die ohmschen Verluste des Schwingkreises auszugleichen. EMV- und Rauscheinflüsse werden minimiert. Da die Phasenlage des Erregerstromes um 90° verschoben ist, verringert sich der Einfluss des Primärfeldes zusätzlich. Ist die Widerstandsschicht konstant, dann folgt die Ausgangsspannung linear der Weg- oder Winkelbewegung. Der neue Sensor arbeitet wie ein herkömmliches Potentiometer als Spannungsteiler; nur ist die Ausgangsspannung hier abhängig vom Leitwert der Widerstandsschicht.
Flexibel im Einsatz
Gegenüber anderen magnetischen Systemen, die magnet-orestriktiv oder mit Hallsonden arbeiten, treten auch ohne Kompensation nur sehr kleine Temperatur- und Feuchtekoeffizienten mit 30 ppm/K oder 1 ppm/% Rel. Feuchte auf. Auch beschränkt sich das Sys-tem nicht auf vorgegebene Bauformen. Da sich sowohl die Leiterbahnen als auch der Siebdruckwiderstand individuell in beliebigen Freiformen auf dem Trägermaterial aufbringen lassen, folgt die Sensorgeometrie der Anwendung und nicht umgekehrt.
– Die guten EMV-Eigenschaften
– der robuste, einfache Aufbau
– die Umweltresistenz und
– die Signalgenerierung in Echtzeit
prädestinieren den Indres-Sensor für raue Einsatzfälle. So wurden beispielsweise im Automobilbau das elektronische Gaspedal oder unter der Motorhaube der Stellungssensor der Drosselklappe mit diesem System ausgeführt.
Klassisches Hall-Prinzip „neu“ definiert
Mehr an die klassische Potentiometerbauform hält sich der VertX-Hallsensor. Hier wird das klassische Hall-Prinzip „neu“ definiert. Der Sensor besteht aus einem vertikalen Hall-Sensor, der direkt auf einem kreuzförmigen Siliziumsensor aufgebracht ist. Die auch für CPUs verwendete Lithografie-Technologie steht dabei für eine hohe Präzision bei der Produktion. Der Drehgeber arbeitet mit einer Exaktheit von 10 bit, die Auflösung selber beträgt 12 bit. Für die gemessene Position ergibt sich daraus eine Genauigkeit von 0,35 Grad bei einer Auflösung von 0,1 Grad und einer kaum messbaren Hysterese von +/- 0,045 Grad.
Auswertung integriert
Der Hall-Sensor liefert zwei Signale. Ein im neuen Absolut-Winkelsensor integrierter Mikroprozessor errechnet daraus die Winkel unter Berücksichtigung eventuell eingegebener Parameter. Jeder Position des Sensors ist ein Referenzwert zugeordnet. Die Auswerteeinheit weiß so immer, wo der Sensor in Relation zu dieser Referenz steht. Von den zwölf Ausgangskanälen des Sensors können bis zu vier als analoge Ausgänge verwendet werden. Die restlichen Kanäle lassen sich verschiedenen Funktionen wie digitalen Schaltern oder speziellen Anwenderspezifikationen zuordnen. Die Zahl der Schaltpunkte pro Umdrehung ist dabei beliebig.
Der Mikroprozessor des Sensors lässt sich sowohl auf Winkelbereiche als auch auf Kurven programmieren. Verschiedene Ausgänge, zum Beispiel SPI, PWM und in Zukunft der CAN-Bus stehen zur Verfügung. So sind alle marktgängigen Schnittstellen realisierbar. Bis auf die Kugellager der Achse arbeitet der Sensor kontaktlos und damit verschleißfrei. So liegt die wartungsfreie Mindest-Betriebszeit bei 100 000 h MTBE.
Mit nur 22 mm Außendurchmesser und der einfachen Anwendung dank integrierter Elektronik (DC in – DC out) stellt der VertX-Hallsensor eine preiswerte Lösung für Anwendungsfälle mit hohen Ansprüchen an Lebensdauer und Auflösungsgenauigkeit dar. Die Bauform ermöglicht auch den nachträglichen Einbau anstelle von Potentiometern.
Die neuen Messverfahren und der Aufbau der berührungslosen Sensoren garantieren eine Langzeitkonstanz der Mess-werte bei einfachem Austausch gegenüber Potentiometern oder auch beliebigen, neuen durch die Anwendung vorgegebenen Freiformen. Die lange Lebensdauer und die Wartungsfreiheit kommen hier schon nahe an den Traum jedes Konstrukteurs heran: Einbauen und vergessen.
Ausführliche Informationen
Sensorsystem Indres R
KEM 458
Hallsensor VertX
KEM 459
Internet
Novotechnik im World Wide Web
Unter www.novotechnik.de präsentiert sich Novotechnik im Internet. Hier kann sich der Anwender beispielsweise über das Unternehmen, seine Referenzen oder über Anwendungen der Produkte informieren. Besonders inte-ressant ist ein Klick auf den Menüpunkt „Technik“. Der User erhält hier sowohl Infos zum PsP – dem kontaktlosen Potentiometer-Prinzip als auch eine ausführliche technische Definition zum Potentiometer allgemein. Wem das Lesen am Bildschirm zu mühselig ist, der kann sich beides auch als pdf-File herunterladen und bequem ausdrucken.
Novotechnik im World Wide Web
Unter www.novotechnik.de präsentiert sich Novotechnik im Internet. Hier kann sich der Anwender beispielsweise über das Unternehmen, seine Referenzen oder über Anwendungen der Produkte informieren. Besonders interessant ist ein Klick auf den Menüpunkt „Technik“. Der User erhält hier sowohl Infos zum PsP – dem kontaktlosen Potentiometer-Prinzip als auch eine ausführliche technische Definition zum Potentiometer allgemein. Wem das Lesen am Bildschirm zu mühselig ist, der kann sich beides auch als pdf-File herunterladen und bequem ausdrucken.
Systems Engineering im Fokus

Ingenieure bei der Teambesprechung

Mechanik, Elektrik und Software im Griff

Video-Tipp

Unterwegs zum Thema Metaverse auf der Hannover Messe...

Aktuelle Ausgabe
Titelbild KEM Konstruktion | Automation 3
Ausgabe
3.2024
LESEN
ABO
Newsletter

Abonnieren Sie unseren Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts
Webinare

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper
Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de