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Wegmessung – Lineare Wegaufnehmer wandeln geometrische in elektrische Signale um. Unterschiedliche Messverfahren ermöglichen zahlreiche Anwendungen im Maschinenbau und in der Gerätetechnik.

22. Februar 2008

Eine häufige Aufgabe in der in der Mess- und Automatisierungstechnik ist die Umwandlung mechanischer und geometrischer Größen in proportionale elektrische Signale. Möglich machen dies zwei verschiedene Sensortechnologien, die in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt wurden und vor allem im Maschinenbau und in der Gerätetechnik zum Einsatz kommen.

Robust und präzise

Besonders robust und langlebig sind induktive Wegaufnehmer. Ihre Basiselemente sind zwei Spulen mit Mittelanzapfung auf einem zylindrischen Hohlkörper sowie ein Stößel mit einem Kern aus einer RNi5- Legierung. Werden die Spulen in Halbbrückenschaltung von einer Oszillatorspannung gespeist und der Kern verschoben, entsteht in beiden Spulen eine gegensinnige Induktionsänderung, die eine Elektronik in eine wegproportionale Gleichspannung oder einen Gleichstrom umwandelt. Maßgebend für die Linearität des erzeugten Signals ist die Homogenität der Spulenwicklung. Diese wiederum hängt ab von der Präzision des Wickelverfahrens sowie der Gleichmäßigkeit des Drahtdurchmessers. Da sich eine einmal gewickelte Spule nicht mehr mechanisch verändern lässt, resultiert daraus in der Praxis ein Linearitätsfehler, der in dem Bereich von 0,25 bis 0,5 Prozent liegt. Anders als bei Wegaufnehmern mit integrierter Elektronik ist es hier also nicht möglich, die Linearität vor der endgültigen Konfektionierung über einen Mikroprozessor zu korrigieren. Die hohe Wickeldichte der Spule ermöglicht eine quasi unendliche Auflösung, die jedoch durch den Rauschpegel der Versorgungs- und Auswerteelektronik beeinflusst wird. In der Praxis erreichen induktive Wegaufnehmer damit eine Auflösung von weniger als 1/100 Millimeter. Untergebracht wird das gesamte Sensorsystem mit oder ohne Elektronik in einem Edelstahlzylinder, der bei der Endfertigung vollständig vergossen wird. Diese Versiegelung macht die Aufnehmer wasserdicht und widerstandsfähig gegen Vibrationen und Stöße und ermöglicht zudem den Einsatz im Ex-Bereich. Die lose Führung des Stößels innerhalb des Spulenkörpers verhindert Reibungsfehler und Verschleiß. Die dem System immanente Lebensdauer ist daher unbegrenzt und wird nur durch äußere Einwirkungen beeinträchtigt.

Preisgünstige Potentiometer

Einfach im Aufbau und vergleichsweise kostengünstig sind potentiometrische Wegaufnehmer. Ihre wesentlichen Bestandteile sind eine extrem feinkörnige Widerstandsbahn aus Leitplastik sowie Federkontakte aus Edelmetall. Die Kontaktträger aus selbstschmierendem Kunststoff werden in einem Profilgehäuse aus Aluminium über einen Stößel verschoben, der je nach Ausführung schwimmend gelagert oder eng geführt ist. Die Speisung der Widerstandsbahn erfolgt mit einer stabilisierten Spannung, meist im Bereich von 12 bis 40 Volt oder mit einem konstanten Strom. Gemessen wird die translatorische Bewegung in einer Spannungsteilerschaltung als Halbbrücke mit einem hohen Abschlusswider stand in Schleiferkreis. Übergangswiderstände gehen dabei in das Messergebnis nicht ein. Unzulässig ist eine Schaltung als veränderlicher Vorwiderstand, weil dies die Messwerte verfälscht und im Extremfall die Schleifkontakte überlastet und den Wegaufnehmer zerstört. Die Widerstandsbahn wird bei der Endfertigung über eine automatisch gesteuerte seitliche Fräse bearbeitet. Als Referenz dient dabei ein eng tolerierter Master, mit dem sich Linearitätstoleranzen von weniger als ± 0,1 Prozent auch in der Serienfertigung realisieren lassen. Die Auflösung ist praktisch nur durch den Rauschpegel der Elektronik begrenzt. Bei einer Übertragung des Messwerts über größere Entfernungen zu berücksichtigen sind allerdings der Spannungsabfall in den Leitungen und der eventuelle Einfluss von elektrischen Störfeldern. Der Einsatz von Zenerbarrieren ermöglicht zudem die eigensichere Verwendung von potentiometrischen Wegaufnehmern auch in explosionsgefährdeten Bereichen. Induktive Wegaufnehmer und Taster ohne integrierte Elektronik lassen sich direkt an einen Multifunktionsanzeiger anschließen, der die Oszillator/ Demodulator-Schaltung für die Speisung des Aufnehmers und für die weitere Aufbereitung des Messwertes enthält. Dieser steht am Ausgang des Anzeigers in analoger und digitaler Form zur Verfügung und kann vier Aktoren ansteuern, zum Beispiel Relais, Schütze oder Magnete. Ein Eingang zur Ferneinstellung ermöglicht die Programmierung mehrerer Funktionen, wie Tarawert, Reset, Dezimalpunkt-Verschiebung, Nullsetzen und Minimum-Maximum- Anzeige. Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik liefern ihren analogen Messwert unmittelbar zur Digitalisierung und Visualisierung an den Multifunktionsanzeiger. Je nach Modell stellt dieser weitere Ausgangssignale für Aktoren und Steuerungen bereit, sodass sich einfache Steuerungs- und Überwachungssysteme aufbauen lassen.

Theo W. Kessler, TWK Electronic/bt

Fakten

Potentiometrische Wegaufnehmer erfassen Hübe bis 1.000 Millimeter mit einer Linearitätsabweichung

von weniger als 0,1 Prozent.

Induktive Wegaufnehmer sind besonders robust und bieten eine Auflösung von weniger als 1/100

Millimeter.

Multifunktionsanzeiger ermöglichen den direkten Anschluss der Sensoren.

Erschienen in Ausgabe: 01/2008