Leitplastik-Potentiometer in der Weg- und Winkelmesstechnik

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Potentiometer sind in vielen automotiven und industriellen Anwendungen immer noch ohne ernstzunehmende Konkurrenz. Daran wird sich wohl auch sobald nichts ändern, denn vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Linearitäts- und Hysteresewerte, Auflösungen, und Temperaturbereiche sind sonst nur mit höherem Aufwand zu erreichen.

Der Autor Stefan Sester ist Produktbereichsleiter Rotative Sensoren bei der Novotechnik Messwertaufnehmer OHG, Ostfildern

Leitplastik-Potentiometer haben sich heute in zahlreichen Anwendungsbereichen einen festen Platz erobert, sowohl in der Industrie als auch bei mobilen Arbeitsmaschinen oder im Automobilbau. Potentiometrische Weg- und Winkelmesser haben vermutlich einen größeren Marktanteil als alle alternativen Techniken zusammen. Allein für den Kfz-Bereich beispielsweise hat der Sensorikspezialist Novotechnik in den letzten Jahren mehr als 60 Millionen Leitplastikpotentiometer produziert. Auch in absehbarer Zukunft werden die leistungsfähigen Sensoren vermutlich nicht nur unersetzlich bleiben, sondern eher noch Zuwachsraten verbuchen. Die Gründe dafür leuchten ein:
Leistungsfähig, flexibel, robust und bezahlbar
In vielen Anwendungsbereichen ist man auf leistungsfähige, aber dennoch bezahlbare Sensorik angewiesen, um ständig steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Da man Potentiometer sehr flexibel im Hinblick auf unterschiedliche Eigenschaften modifizieren kann, erschließen sich hier zahllose Möglichkeiten: beispielsweise eine Optimierung hinsichtlich Preis, Auflösung, Drehmoment oder Linearität. Außerdem lassen sich Potentiometer gut an den vorhandenen Einbauraum anpassen. Gleichgültig, ob als linearer Wegaufnehmer oder ob als rotativer Winkelmesser aufgebaut, in jedem Fall stehen die Potentiometerausgangssignale ohne Schleppfehler in Echtzeit zur Verfügung und lassen sich sehr einfach weiterverarbeiten.
Davon profitiert man auch bei Anwendungen mit eher harten Einsatzbedingungen. So gibt es spezielle Heavy-Duty-Ausführungen, die – redundant ausgelegt – sich in mobilen Applikationen sogar für sicherheitsrelevante Messungen eignen. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektro-hydraulischen Lenksystemen. Hier können Leitplastikpotentiometer gleich eine ganze Reihe weiterer Vorzüge ausspielen. Sie sind schock- und vibrationsunempfindlich, brauchen extrem wenig Energie und sind unkritisch hinsichtlich EMV sowie magnetischen Feldern. Da sie als Spannungsteiler arbeiten, haben sowohl Temperaturschwankungen als auch Feuchteeinwirkung keinen Einfluss auf das Messergebnis. Selbst der Einsatz in Ex-Bereichen ist möglich, da Leitplastik-Potentiometer passive Elemente sind.
Kontinuierlicher Verbesserungsprozess
Oft als Nachteil angeführt wird der prinzipbedingte mechanische Verschleiß der Potentiometertechnik. In vielen Anwendungen spielt dieser jedoch nur eine eher untergeordnete Rolle. Schließlich erreichen qualitativ hochwertige Ausführungen heute ohne Weiteres eine Lebensdauer von über 100 Mio. Bewegungszyklen. Zukünftig gibt es diesbezüglich sicher noch weitere Verbesserungen, denn auch in der Potentiometertechnik geht die Entwicklungsarbeit ständig voran. Nicht nur hinsichtlich Lebensdauer, sondern auch in puncto Auflösung oder Maximierung von Winkelbereichen laufen kontinuierliche Verbesserungsprozesse. Lediglich in Bereichen, die vor allem an die Lebensdauer deutlich höhere Anforderungen stellen, werden kontaktlose Verfahren dem klassischen Potentiometer deshalb Einsatzbereiche streitig machen. Für solche Anwendungen bieten sich dann kontaktlose oder berührungslose Weg- und Winkelaufnehmer als Ersatz für die Potentiometertechnik an. Entsprechende Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien hat Novotechnik ebenfalls in großer Auswahl im Programm
Leitplastik-Potentiometer KEM 475
Novotechnik-Portfolio allg. KEM 476

Leitplastik-Potentiometer – Funktionsweise und Beschaltung
Ein Leitplastikpotentiometer besteht im Wesentlichen aus dem Widerstandselement, dem Schleifer und der Antriebswelle bzw. Schubstange. Der Schleifer wird von letzterer bewegt und verändert dadurch seine Position auf dem Widerstandselement. Das abgegriffene Potential ist dabei eine lineare Funktion des Ortes. Er ist das Weg- bzw. Winkelproportional und kann als Analogsignal oft direkt weiterverwendet werden. Damit die in den Datenblättern angegebenen Werte für Linearität, Auflösung und Lebensdauer auch tatsächlich erreicht werden, müssen Leitplastikpotentiometer als Spannungsteiler ohne Schleiferlast arbeiten. Die Schleiferspannung wird dazu beispielsweise mit einem als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker abgenommen. Dann spielt auch der Übergangswiderstand am Schleifer keine Rolle. Außerdem haben Temperaturänderungen oder Feuchteeinwirkungen so gut wie keinen Einfluss auf das Messergebnis, weil sich der Potentiometerwiderstand vor der Abgriffstelle dadurch genauso ändert wie dahinter.
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