Kontaktlos glücklich

Messtechnik - Von induktiv über magnetostriktiv bis hin zum GMR-Effekt zeigt dieser Beitrag die Trends in der kontaktlosen Weg-und Winkelmesstechnik.

08. Dezember 2011

Um zum Beispiel bei Positionieraufgaben Längenänderungen beziehungsweise Drehbewegungen zu erfassen, kommen in der Industrie Wegaufnehmer beziehungsweise Winkelsensoren zum Einsatz. Bei den Wegaufnehmern handelt es sich um elektromechanische Sensoren, die in der einfachsten Form eine Längendifferenz über ein mechanisch gekoppeltes Potenziometer in eine Spannungsdifferenz übersetzen. An Stelle des Potenziometers treten in induktiven Wegaufnehmern Spulen mit variabler Induktivität. In kapazitiven Wegaufnehmern übernehmen Kondensatoren mit variabler Kapazität diesen Job. Videoextensometer messen hingegen mittels Kamera, also berührungslos, Wege und Dehnung bei Zugprüfungen. Auch Winkelsensoren können sowohl potenziometrisch als auch berührungslos arbeiten.

Wer sich für Weg- und Winkelmesstechnik interessiert, ist bei Novotechnik in Ostfildern gut aufgehoben. Das Unternehmen entwickelt seine Messgeräte stetig weiter und hat im Herbst 2011 eine Reihe neuer Produkte auf den Markt gebracht. Mit den induktiven Wegaufnehmern der Serie LS1 hat Novotechnik beispielsweise eine neue, verschleißfreie Alternative zu den marktüblichen kleinen Linearpotenziometern mit quadratischem Querschnitt im Programm. Die Wegaufnehmer arbeiten nach dem sogenannten Novopad-Verfahren und sind hinsichtlich ihrer Abmessungen vollständig kompatibel mit der potenziometrischen Baureihe T-Serie des gleichen Herstellers. Sie sind wahlweise erhältlich als Taster mit integrierter Rückstellfeder und Messbereichen zwischen 25 und 100 Millimeter sowie als Wegaufnehmer mit spielfreier Kugelkupplung für Zug- oder Schubanwendungen und Messbereichen zwischen 25 und 200 Millimeter.

Die integrierte Signalverarbeitung stellt den Messwert als absolutes Strom- oder Spannungssignal am Ausgang zur Verfügung. Dank der Teach-in-Funktion lassen sich per Knopfdruck direkt am Wegaufnehmer Null- und Endpunkt der Messung wählen, die Kennlinie drehen beziehungsweise invertieren oder der gewünschte Signalhub einstellen. Ein separater Messumformer ist dazu nicht erforderlich. Dass die induktiven Wegaufnehmer gegen Magnetfelder völlig unempfindlich sind, ist in etlichen Applikationen von Vorteil.

Gleiches Prinzip, längerer Weg

Für längere Messbereiche bieten sich Wegaufnehmer an, die nach dem magnetostriktiven Novostriktiv-Verfahren arbeiten. Die Baureihe TP1 bietet Novotechnik für Messbereiche zwischen 50 und 4.500 Millimeter, wahlweise mit freiem das heißt berührungslosem oder geführtem Positionsgeber. Sowohl Mechanik als auch Messelement und Auswerteelektronik wurden optimiert, um eine möglichst hohe Störunempfindlichkeit zu erreichen. Auch bei störenden Feldern in der Umgebung, Vibrationen der Maschine oder Schockbelastungen liefern die Messaufnehmer dadurch stabile Ausgangssignale mit Linearitätswerten bis 10 Mikrometer. Die Auflösung ist unabhängig von der Messlänge und beträgt bei digitalen Varianten 1 Mikrometer.

Besonderen Wert hat Novotechnik bei den Wegaufnehmern auf die Sicherheit der internen Messwertaufbereitung gelegt sowie auf die Datenausgabe mit einer Update-Rate von 16 Kilohertz. Den Positionswert errechnet die Elektronik aus dem Wert der digitalisierten Messzeit und der bekannten Geschwindigkeit der Torsionswelle. Der ermittelte Positionswert wird auf Plausibilität überprüft, linearisiert und entsprechend der Schnittstelle aufbereitet.

Zur Wahl stehen neben analogen Strom- und Spannungsschnittstellen auch Start-Stop-, SSI- und Dymos-Schnittstelle. Ausführungen mit inkrementeller beziehungsweise Quadratur-Schnittstelle eignen sich als Ersatz für bei Linearbewegungen aufwendige Drehgeberlösungen. Auch als robustere Alternative zu Glasmaßstäben sind sie oft das Mittel der Wahl, da für viele Applikationen die geforderte Genauigkeit mit magnetostriktiven Wegaufnehmern durchaus erreicht wird. Die Wegaufnehmer erfüllen serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP67 beziehungsweise IP68.

Berührungslos Winkel erfassen

Neben der Wegmessung beschäftigt sich Novotechnik auch mit der Winkelmesstechnik. Lenkwinkel an Hydraulikzylindern zu erfassen, ist ein typisches Anwendungsgebiet. Für diesen Bereich hat Novotechnik einen neuen Linearsensor entwickelt, der induktiv arbeitet und sich zum Beispiel für Stahlzylinder mit durchgehender Kolbenstange eignet. Der Lenkachsensensor LAS170 besteht im Prinzip aus zwei Komponenten: der Signal-Leiterplatte mit der integrierten Auswerteelektronik und einem frei beweglichen Positionsgeber, der direkt an der Kolbenstange befestigt wird. Der induktiv und damit berührungslos ermittelte Messwert wird als lineares, analoges Spannungssignal ausgegeben.

Da das Messsystem absolute Werte liefert, ist auch nach einer Unterbrechung der Spannungsversorgung keine Neujustage notwendig. Der Lenkachsensensor ist vollständig redundant ausgelegt und erfüllt alle einschlägigen Sicherheitskriterien. Er arbeitet mit einer Auflösung von 0,1 Millimeter, die Wiederholgenauigkeit liegt bei 0,2 Millimeter. Außerdem ist der Sensor robust, dampfstrahlfest, resistent gegenüber allen an seinem Arbeitsplatz potenziell auftretenden chemischen Substanzen und eignet sich für Umgebungstemperaturen zwischen -40 und +50 Grad Celsius.

Geht es schließlich darum, die absolute Position auch nach mehreren Umdrehungen einer Welle zu erfassen, kommen sogenannte Multiturn-Sensoren zum Einsatz, bei denen ein Drehgeber mit einem Umdrehungszähler kombiniert ist. Herkömmliche Multiturn-Sensoren benötigen entweder eine dauerhafte Stromversorgung oder verwenden für den Umdrehungszähler verschleißbehaftete Getriebe und sind damit oft relativ teuer.

Präzise im Kreis drehen

Novotechnik hat darum die GMR-Technologie (Giant-Magneto-Resistance) zur Serienreife entwickelt und setzt sie in den Multiturn-Sensoren der Baureihe RSM 2800 ein. Der Messbereich ist zwischen zwei und 16 Umdrehungen einstellbar und wird als stetige, analoge Kennlinie ausgegeben. Zudem gibt es Varianten mit verschiedenen Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Die Auflösung der Analogschnittstelle beträgt aktuell 16 Bit. Drehzahlen bis 800 min-1 sind möglich. Durch Implementierung digitaler Schnittstellen (SSI, SPI und CAN) werden künftig bis zu 18 Bit Gesamtauflösung (Winkel und Umdrehung) erreicht. Gleichzeitig gibt es auch zweikanalige Varianten, sodass sich der Multiturn auch für sicherheitsrelevante Anwendungen eignet.

Über den gesamten Messbereich liegen die Linearitätsabweichungen unter 0,05 Prozent. Die robusten Sensoren erfüllen serienmäßig die Anforderungen bis Schutzart IP67, sind also staubdicht und gegen zeitweiliges Untertauchen geschützt. Sie lassen sich gut in die jeweilige Applikation integrieren. Die Welle wurde so ausgestaltet, dass sie einfach und winkelindexiert von einem entsprechenden kundenseitigen Gegenstück aufgenommen werden kann. Typische Einsatzbereiche für die Sensoren gibt es in sogenannten True-Power-on-Systemen, beispielsweise in der Kfz-Technik bei elektronischen Lenksystemen, aber auch in den verschiedensten industriellen Anwendungen.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2011