Position aus Torsion

Technik konkret

Sensorik – Das magnetostriktive Messverfahren ermöglicht eine präzise berührungslose Positionsbestimmung auch in rauem Umfeld.

15. Juni 2010

Die Erfassung der Position eines Objekts oder des Füllstands in einem Behälter lässt sich mit unterschiedlichen Sensortypen realisieren. Die optimale Lösung sind jedoch in vielen Fällen Sensoren, die nach dem sogenannten magnetostriktiven Funktionsprinzip arbeiten. Bei diesen verschleißfrei arbeitenden Absolutsensoren ist ein passiver Positionsmagnet mit dem Objekt verbunden, dessen Position bestimmt werden soll. Das Messsignal entsteht in einem ferromagnetischen Stab im Inneren des Sensorgehäuses, dem so genannten Wellenleiter. Der Magnet fährt dabei mechanisch komplett entkoppelt über das Sensorgehäuse und übertragt die Positionsinformation berührungslos durch die Gehäusewand ins Innere des Sensors.

Basis der magnetostriktiven Positionsmessung sind magneto-mechanische Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien: So entsteht im ferromagnetischen Stab an der Position des Permanentmagneten eine Torsion, wenn ein kurzer Stromimpuls aus der Sensorelektronik durch den Wellenleiter geschickt wird. Die Torsion setzt sich im Wellenleiter mit einer konstanten Geschwindigkeit von 2.800 m/s fort, bis sie am Sensorkopf den Impulswandler erreicht. Dieser bestimmt die Position des Magneten durch eine Messung der Zeit zwischen dem Start des Stromimpulses und dem Eintreffen des elektrischen Antwortsignals. Weil die Positionsbestimmung dabei absolut und kontinuierlich erfolgt, sind magnetostriktive Sensoren nach einem Maschinenstillstand sofort wieder einsatzbereit und müssen keine Referenzmarken anfahren. Bei den Temposonics-Sensoren des Sensorikspezialisten MTS aus Lüdenscheid erfolgt diese Laufzeitmessung mit höchster physikalischer Präzision, sodass sie eine sehr hohe Messgenauigkeit bieten.

Die Sensoren werden in voller Länge parallel zur Messstrecke installiert und sind in Form eines Profils oder eines Stabes oder in flexibler Ausführung erhältlich. Damit eignen sie sich zur externen Montage an die Bewegungsachse ebenso wie für eine direkte Hubmessung im Hydraulikzylinder. Der flexible Sensor kommt vor allem bei großen Messlängen bis 20 Meter und bei beengten Einbauverhältnissen zum Einsatz. Zur direkten Füllstandsmessung kann das Sensorrohr auch in eine Flüssigkeit tauchen, während ein Schwimmer mit integriertem Positionsmagnet die Füllhöhe markiert.

Zu diesen prinzipbedingten Vorteilen kommt bei den Temposonics-Sensoren von MTS eine spezifische Art der Signalauswertung hinzu: Hier arbeitet der Torsionsimpuls-Wandler im Sensorkopf mit einem Metallstreifen, der quer mit dem Wellenleiter verbunden ist und in einer magnetisierten Induktionsspule liegt. In dieser Spule induziert die ankommende Torsionswelle einen Strom, den die Folgeelektronik im Sensorkopf verarbeitet. Der Metallstreifen des Impulswandlers reagiert dabei nur auf den torsionalen Anteil der mechanischen Welle, sodass andere Schwingungen und Vibrationen praktisch keinen Einfluss auf das Messsignal haben. Im Unterschied zu einer direkten Erfassung der Torsion auf dem Wellenleiter mittels einer axialen Spule schließt dieser von MTS entwickelte Torsionsimpuls-Wandler also Signalüberlagerungen und -verfälschungen praktisch aus.

H. v. Biedersee, MTS/bt

Erschienen in Ausgabe: 5-6/2010