Digital, analog, berührungslos

Analoge Technologien haben jedoch noch ihre Berechtigung. Die SCOPE-Redaktion hat sich einmal ¿schlau machen¿ lassen und den Status verschiedener Sensortechnologien festgehalten.

Digitalisierung macht in der Mess- und Regeltechnik vieles einfacher, manches erst möglich. Für etliche Aufgaben benötigt man jedoch nach wie vor analoge Signale, beispielsweise innerhalb von Regelkreisen. Als preiswerte Messaufnehmer bieten sich hier Leitplastikpotentiometer geradezu an. Vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Linearitätswerte, Auflösung, Hysteresewerte oder Temperaturbeständigkeit erreichen andere Systeme nicht oder nur mit einem hohen technischen Aufwand. Die Entwicklung ist jedoch nicht stehen geblieben. Um den in einigen Anwendungen kritischen, prinzipbedingten Verschleiß der Potentiometertechnik zu umgehen, wurden neue kontaktlose Verfahren entwickelt. Sie arbeiten auf induktiver oder kapazitiver Basis und nutzen ebenfalls die Vorteile eines Spannungsteilers.

In vielen Anwendungen sind ¿normale¿ Leitplastikpotentiometer aufgrund ihres günstigen Preis/Leistungs-Verhältnisses und ihrer Zuverlässigkeit noch immer ernstzunehmende Konkurrenten. Hohe Verfahrgeschwindigkeiten sind unproblematisch und das Ausgangssignal steht in Echtzeit ohne Schleppfehler zur Verfügung. Hinzu kommt die große Angebotsvielfalt. Mit linearen Wegsensoren der unterschiedlichen Bauformen lassen sich sinnvoll Messlängen von etwa 10 bis 4000 Millimeter realisieren, wobei Linearitätsfehler von ±0,02 Prozent des Messbereichs ohne weiteres möglich sind.

Rundpotentiometer für das Erfassen drehender Bewegungen gibt es ebenfalls in unterschiedlichen Ausführungen. Sie eignen sich auch für sehr anspruchsvolle Anwendungen: Für absolute Winkelcodierungen bis 360 Grad wurde beispielsweise ein Gerät entwickelt, das ohne Totzone arbeitet. Durch diese Vielfalt eignen sich die Potentiometer für mehr Einsatzbereiche als der durchschnittliche Konstrukteur ahnt, zumal sich die Sensoren problemlos auch an spezielle Applikationsgegebenheiten anpassen oder integrieren lassen.

Potentiometer: zuverlässig und anpassungsfähig

Typische Anwendungen von Leitplastikpotentiometer reichen von Punktschreibern für Registriergeräte der Mess- und Regeltechnik über die Istwert-Erfassung an Stellzylindern bis zur Positionskontrolle von Werkzeugen oder Bauteilen beispielsweise im Fahrzeugbau. Ebenfalls als Positionsaufnehmer etabliert sind die vielseitigen Potis bei der Gleichlaufüberwachung an hydraulischen Mehrsäulenpressen, bei Positionierung der Z-Achse von Bohrmaschinen oder in industriellen Joysticks, zum Beispiel zur Positionierung schwerer Maschinen oder Maschinenteile. Durch ihren geringen Energiebedarf eignen sich Leitplastikpotentiometer bei entsprechender eigensicherer Versorgung auch für den Einsatz in explosionsgeschützten Zonen (ex-schutz). Bei Stellungsreglern an Armaturen in chemischen oder petrochemischen Anlagen können sie zudem noch einen weiteren Vorteil ausspielen. Klimaschwankungen beeinträchtigen ihre Funktion und Zuverlässigkeit nicht, was besonders dann zum Tragen kommt, wenn die Stellungsregler im Freien arbeiten. Wegen ihrer geringen Stromaufnahme sind Leitplastikpotentiometer aber auch für mobile Einsatzfälle gut geeignet. In der Automobiltechnik haben sich die zuverlässigen Aufnehmer deshalb einen festen Platz erobert. So dienen Sie im Antriebsmanagements zur Positionserfassung von Gaspedal oder Drosselklappe, im Getriebe sowie als Stellungsgeber für elektrisch veränderbare Sitze und Türschließsysteme.

Typisch ist auch der Einsatz in dynamischen Stabilitäts-Kontrollsystemen, die den Fahrer bei allen Lenkmanövern unterstützen und so die Fahrsicherheit deutlich erhöhen. Der dazu notwendige Lenkwinkelsensor, angebracht am unteren Ende der Lenkspindel, besteht aus einer Auswerteelektronik und einem Leitplastik-Potentiometer als Winkelaufnehmer. Dieser speziell für die Applikation modifizierte Sensor hat zwei um 90 Grad versetzte Schleiferabgriffe, die jeweils Signalspannungen zwischen 0 und 4,5 Volt liefern. Aus den Einzelspannungen werden der aktuelle Lenkrad-Drehwinkel, Drehrichtung und Gesamtdrehwinkel bestimmt. Die Auswerteelektronik gibt die Ergebnisse an den CAN-Bus weiter. Sie stehen dann den übergeordneten Regelsystemen mit einer Auflösung von 0,7 Grad zur Verfügung.

Induktiv resistives Sensorsystem: preiswert und verschleißfrei

Wegen ihres prinzipbedingten Verschleißes eignen sich die konkurrenzlos preiswerten Potentiometer jedoch nicht für alle Anwendungen. Deshalb hat Novotechnik ein neues, kontaktloses Sensorsystem entwickelt, das beispielsweise bei der Lenkwinkelerfassung oder E-Gassystemen die konventionelle Potentiometertechnik ablösen soll.

Der neue Sensor arbeitet rein induktiv. Eine Auswerteelektronik erzeugt ein analoges oder digitales Ausgangssignal. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen, kann für rotative Systeme und translatorische Anwendungen eingesetzt werden. Messlängen bis 1 000 Millimeter lassen sich realisieren. Der problemlose Einsatz in Hydraulik und Pneumatik, auch als geschlossenes System mit Schutzart IP67, ist möglich. Überall dort, wo sich der prinzipbedingte Verschleiß konventioneller Potentiometer negativ auswirkt, bietet der induktiv-resistive Sensor eine praxisgerechte und preislich attraktive Alternative.

Berührungslose Potentialsonde: gut integrierbar

Ebenfalls vor dem Hintergrund, die Vorzüge der Potentiometertechnik ohne deren Nachteile nutzen zu können, wurde bereits vor mehreren Jahren die Potentialsonde entwickelt. Diese linearen Wegsensoren lassen sich direkt im Druckbereich hydraulischer und, unter bestimmten Voraussetzungen, in pneumatische Zylinder integrieren. Das robuste und einbaufreundliche Wegmess-System arbeitet ebenfalls berührungslos und damit praktisch verschleißfrei.

Dank ihrer Anpassungsfähigkeit eignen sich die Potentialsonden für sehr unterschiedliche Anwendungen, etwa als Positionssensor für die automatische Registereinstellung bei Druckmaschinen. Sie vertragen Verstellgeschwindigkeiten bis 10 Meter pro Sekunde und sind für Betriebstemperaturen von -40 bis 85 Grad Celsius geeignet. Auch unter schwierigen Einsatzbedingungen garantieren die Sensoren eine hohe Lebenserwartung von mehr als 200 Millionen Hüben, die Toleranz erreicht 0,15 Prozent und die Auflösung beträgt weniger als 0,01 Millimeter. Messbereiche bis 1 000 Millimeter sind kein Problem. Der für den Druckregistereinsatz modifizierte Potentialsonden-Sensor liefert ein Spannungssignal von 0 bi 5 Volt. Dieses digitalisiert anschließend geräteintern ein AD-Wandler digitalisiert und wertet es per Mikrocontroller aus.

Winkelsensor mit Hall-Technologie: wartungsfrei

Weitere berührungslose Sensoren, die sich in zahlreichen Anwendungsfällen etablieren werden, sind die absoluten Winkelsensor mit Hall-Technologie. Das Messprinzip ist nicht neu. Schon vor zwanzig Jahren wurde die Messtechnik nach Hall in Energiemessgeräten mit Erfolg eingesetzt. Zwar war die zu messende Größe relativ einfach, aber gerade bei diesem Einsatzfall konnten die Entwickler wichtige Erfahrungen sammeln: die Messgeräte sind in der Regel über Jahre ohne Wartung ihrem Schicksal überlassen. Dieses für die Industrie wichtige Kriterium war Anlass, den Sensor weiter zu entwickeln. Das Resultat ist ein neuartiges Hall-Messgerät, mit dem sich die genaue Position von festgelegten Punkten auf der drehenden Welle feststellen lässt. Der Sensor gibt auf der gesamten Umdrehung von 360 Grad ein stetes, unterbrechungsfreies Signal ab.

Der Winkelaufnehmer besteht aus einem vertikalen Hall-Sensor, der direkt auf einem kreuzförmigen Siliziumsensor aufgebracht ist. Er arbeitet mit einer Toleranz von 10 Bit, die Auflösung beträgt 12 Bit. Für die gemessene Position ergibt sich daraus eine Genauigkeit von 0,35 Grad bei einer Auflösung von 0,1 Grad und einer kaum messbaren Hysterese von ±0,045 Grad. Aus den zwei Signalen des Hall-Sensors berechnet der integrierte Mikroprozessor die Winkel und berücksichtigt dabei die wahlweise eingegebenen Parameter. Mit seiner Hilfe lassen sich nahezu alle Messanordnungen realisieren. So ist jeder Position des Sensors ein Referenzwert zugeordnet. Die Auswerteeinheit ¿weiß¿ immer, wo der Sensor in Abhängigkeit von dieser Referenz gerade steht. Von den zwölf Ausgangskanälen können bis zu vier als analoge Ausgänge genutzt werden. Den restlichen lassen sich verschiedene Funktionen zuordnen, wie digitale Schalter, digitale oder speziell auf die Anwendung abgeglichene Ausgänge. Die Anzahl der Schaltpunkte pro Umdrehung ist beliebig.

Da die Mechanik praktisch keinen Abrieb hat und kontaktlos abgetastet wird, arbeitet der Sensor wartungsfrei. Er eignet sich besonders für den Einsatz in schwierigen Umgebungen oder in Bereichen, wo Wartungsfreiheit gefordert wird. Die Bauweise des Sensors garantiert zudem hohe Arbeitssicherheit bei konstantem Signalausgang selbst in vibrationsreicher Umgebung. Auf Grund seiner Leichtgängigkeit lässt sich der neue Sensor zum Beispiel für die Stellungsabfrage bei Windfahnen einsetzen. Dank seiner Genauigkeit in der Positionierung ist sein Einsatz in Überwachungskameras geplant. Hier geht es darum, bestimmte Positionen mit geringster Toleranz anzufahren, um dann per Bildvergleich Veränderungen im Visionsfeld der Kamera festzustellen. Hier wird der neue Sensor in Zukunft die konventionelle Potentiometertechnik ablösen.

Ein anderes Anwendungsfeld hat sich in Textilmaschinen ergeben, die auf dem Seeweg nach Asien transportiert werden. Unterwegs sind sie der salzhaltigen Luft und in Asien relativ hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Dank der Tatsache, dass der Sensor dicht und die Elektronik versiegelt ist, bilden solche Umgebungsbedingungen jedoch keine Schwierigkeiten. Durch die geringe Stromaufnahme ist ein Einsatz des Sensors aber auch in tragbaren Geräten denkbar. Auch hier wird er als verschleißfreie Alternative konventionelle Potentiometer ergänzen. Sein Gehäuse hat einen Durchmesser von lediglich 22 Millimeter.

Informieren tut Not

Neue Technologien bringen neue Chancen. Wer sich auf bestimmte Erfassungstechniken ¿eingeschossen¿ hat, sollte gelegentlich alternative Systeme kritisch unter die Lupe nehmen und auf Tauglichkeit für die eigenen Anwendungen prüfen. Nur wer die Technik kennt. nist in der Lage, das Beste für seine Kunden ¿ und damit das eigene Unternehmen ¿ heraus zu holen.

dr