Berührungslose Taster

Wegmessung ? Berührungslos arbeitende Wegsensoren mit elektromagnetischen Messverfahren eignen sich für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Neue Sensorsysteme bieten höchste Messgenauigkeit über einen weiten Messbereich.

14. November 2007

Im Zentrum von komplexen Messsystemen für geometrische Größen stehen häufig Weg- und Abstandssensoren als das genauigkeitsbestimmende Messmodul. Die Sensoren messen dabei eine Vielzahl von Parametern wie beispielsweise Schwingungen, die Auslenkung, das Spiel, die Position, eine Verkippung, die Ebenheit oder Rundheit, eine Kontur, eine Verformung, einen Spalt, den Hub, die Dicke, eine Verschiebung oder verschiedene Toleranzen. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität,

Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Besonders vorteilhaft ist dabei der Einsatz von berührungslos arbeitenden Wegsensoren. Sie kommen stets dann zum Einsatz, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird. Zu den Klassikern in der berührungslosen Weg- und Abstandsmessung zählen die kapazitive Abstandsmessung und das Wirbelstrom- Verfahren. Das Prinzip der kapazitiven Wegmessung basiert auf der Wirkungsweise des Plattenkondensators, bei dem eine Abstandsverschiebung der Platten eine Änderung der Gesamtkapazität bewirkt. Im Falle eines Sensorsystems bilden der Sensor und das Messobjekt die beiden Plattenelektroden.

Bewährte Messverfahren

Durchfließt ein Wechselstrom mit konstanter Frequenz den Sensorkondensator, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional dem Abstand zum Messobjekt. Die Verstärkerelektronik demoduliert die Wechselspannungssignale und gibt sie als Analogsignal aus. Eine spezielle Auswertung des Blindwiderstandes des Plattenkondensators gewährleistet dabei einen streng proportionalen Zusammenhang ohne zusätzliche Linearisierung.

Perfekt linear

Nahezu ideal verwirklicht wird diese Linearität durch den Aufbau der Sensoren als Schutzringkondensatoren. Dieses Prinzip nutzt zum Beispiel die neuen Produktserie capaNCDT 6300 des Sensorikherstellers Micro-Epsilon aus Ortenburg. Das umfangreiche Sensorprogramm des Unternehmens aus der Nähe von Passau umfasst einen Messbereich von 50 Mikrometer bis 10 Millimeter. In Verbindung mit dem kompakten Controller ermöglicht die Serie 6300 eine Linearität von 0,2 Prozent und Auflösungen bis zu 0,0005 Mikrometer. Grenzfrequenzen von acht oder 50 Kilohertz erfassen auch sehr dynamische Vorgänge. Prädestiniert für kurze Wegstrecken und schnelle Wegänderungen unter schwierigen Umweltbedingungen sind Abstandssensoren nach dem Wirbelstromverfahren. Dieses Messprinzip beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis, die zur Induktion von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen metallischen Messobjekt erforderlich ist. Nähert man einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Spule eine Metallplatte an, so werden über das elektromagnetische Spulenfeld in dieser Platte Wirbelströme induziert, deren Eigenfeld dem Erregerfeld entgegengerichtet ist. Der damit herbeigeführte Energieentzug bewirkt eine Änderung des Wechselstromwiderstandes der Sensorspule als Funktion des Abstands zur Metallplatte. Die Sensorbaureihe eddyNCDT 3300 bietet die Schutzklasse IP 67 und eignet sich damit für den Einsatz in schwieriger industrieller Umgebung Mit einem Frontdurchmesser von zwei Millimeter bei vier Millimeter Baulänge ist dieser kleinste serienmäßig hergestellte Wirbelstromsensor der Welt ideal für den Einsatz im Verbrennungsmotor. Der Sensor erfasst dort beispielsweise die Bewegungen von Kolben und Kolbenring, Schwingungen und Verlagerungen oder die Dicke des Ölfilms. Bei einem Messbereich von 500 Mikrometer erreicht er eine Linearität von 1 Mikrometer und eine Auflösung bis zu 20 Nanometer. Insgesamt umfasst das System eddyNCDT 3300 Messbereiche von 0,4 bis 80 Millimeter mit einer Auflösung von 0,005 Prozent. Das Micro- Epsilonspezifische Kompensationsverfahren ermöglicht eine Temperaturstabilität von 0,015 Prozent/Kelvin bei Temperaturen bis 150 °C. Besonders schnelle Bewegungen können in einer Bandbreite bis 100 kHz mit hoher Präzision erfasst werden. Die neueste Errungenschaft der Niederbayern ist ein nur geringfügig größerer Wegsensor mit Keramikgehäuse und O-Ringdichtung für den Einsatz unter Druckbelastungen von mehr als 1.000 bar und kurzzeitigen Druckspitzen von 2.000 bar. Damit eignet sich dieses Sensormodel speziell für Messungen in Verbrennungsmotoren.

Johann Salzberger, Micro-Epsilon/bt

Erschienen in Ausgabe: 08/2007