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Hohe Dynamik

Weg- und Winkelmessung
Hohe Dynamik

Um die prinzipbedingten Nachteile der klassischen Potentiometer zu umgehen, ohne auf deren Vorteile verzichten zu müssen, hat Novotechnik ein kontaktloses Sensorprinzip auf induktiv-resistiver Basis entwickelt, das zum Beispiel für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Dynamik fast konkurenzlos ist. Dank seines deutlich günstigeren Preis-/Leistungsverhältnisses bietet es sich als praxisgerechte Alternative zu den sonst hier üblichen LVDTs an. Die Signale werden in diesen „Indres-Sensoren“ komplett analog verarbeitet; im Gegensatz zu abtastenden Verfahren benötigen die Sensoren also keine Rechenzeiten. Ihr Schleppfehler ist darum erheblich kleiner.

Dipl.-Ing. Ralf Langerjahn, Dipl.-Ing. (FH) Stefan Sester, Entwicklung Sensorik, Novotechnik, Ostfildern Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Die neuen Sensoren arbeiten zur Zeit mit Auflösungen von über 16 bit bei Linearitätswerten von besser als 0,1 %. Auch ohne Kompensation werden Temperatur- und Feuchtekoeffizienten von weniger als 30ppm/K bzw. 1 ppm/% rel. Feuchte erreicht. Sensorform und Redundanzstufe können an die Applikation angepasst werden. Rotative und translatorische Sensoren sind realisierbar; der Einsatz in Hydraulik und Pneumatik, auch als geschlossenes System mit Schutzart IP67, ist problemlos möglich. Typische Anwendungsbeispiele für die robusten und „schnellen“ Weg- und Winkelaufnehmer finden sich daher sowohl im industriellen als auch im automotiven Bereich. Die heute im Bereich der Weg- und Winkelmesstechnik weitverbreiteten Sensorsysteme auf potentiometrischer Basis bieten bei kleinem Preis hohe Auflösung, kleine Hysterese und gute Linearitätswerte in einem breiten Temperaturbereich. Nur der prinzipbedingte Verschleiß trennt das Potentiometer vom idealen Sensorsystem. Um diesen Nachteil zu umgehen, hat Novotechnik ein neues kontaktloses Sensorprinzip auf induktiv-resistiver Basis entwickelt, das sich selbst für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Dynamik eignet und dabei doch die Vorteile eines streng ratiometrischen Prinzips bietet. Die prinzipielle Funktionsweise dieses kontaktlos und damit praktisch verschleißfrei arbeitenden Sensors ist einfach zu verstehen: Eine Primär- und eine Sekundärspule sind auf einem Trägermaterial aufgebracht. Beide werden von einem beweglichen Ferrit mit Luftspalt umschlossen. Nach dem Induktionsgesetz wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, wenn an der Primärspule eine Wechselspannung anliegt. Da sich aber der Feldfluß im Luftspalt des Ferritjochs konzentriert, läuft diese Potentialfront beim Verschieben mit dem Joch des Ferrits mit. Diese Ortsveränderung wird nun durch eine Siebdruckwiderstandsschicht in der Sekundärspule erfasst. Die Ausgangsspannung ändert sich so je nach Stellung des Ferritkerns. Eine Auswerteelektronik erzeugt daraus ein analoges oder digitales Signal. Die Auflösung ist theoretisch unendlich hoch, typische Werte liegen zur Zeit im Bereich von über 16 bit bei Linearitätswerten von besser als 0,1 Prozent. Anders als bei verschleißbehafteten Potentiometern bleibt die Linearität über die gesamte Lebensdauer erhalten. Das Grundsystem kann deshalb über eine Linearisierung an beliebige Ausgangsfunktionen angepasst werden. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau der Signalverarbeitung. Deutlich wird dabei, dass es sich um ein streng ratiometrisches Prinzip handelt. Die Auswerteelektronik berücksichtigt, dass sich das Signal in Abhängigkeit von der Eingangsspannung ändert. Da der Indres-Sensor als Spannungsteiler arbeitet, sind gegenüber anderen magnetischen Systemen (z.B. magnetostriktiv oder mit Hallsonden) auch ohne Kompensation die Temperatur- und Feuchtekoeffizienten mit weniger als 30ppm/K bzw. 1 ppm/% rel. Feuchte nur sehr klein. Auch beschränkt sich das System nicht auf vorgegebene Bauformen. Da sich sowohl die Leiterbahnen als auch der Siebdruckwiderstand individuell in beliebigen Freiformen auf dem Trägermaterial aufbringen lassen, folgt die Sensorgeometrie der Anwendung und nicht umgekehrt.
Anwendungsmöglichkeiten
Die guten EMV-Eigenschaften, der robuste, einfache Aufbau, die Umweltresistenz und die Signalgenerierung in Echtzeit (Speisung mit 100 bis 500 Hz) prädestinieren den Indres-Sensor für raue Einsatzfälle. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen und kann einen Längenbereich von 10 bis 1000 mm abdecken. So sind rotative und translatorische Sensoren realisierbar, die weder durch statische Magnetfelder noch durch statische oder dynamische elektrische Felder beeinflußt werden. Der Einsatz in Hydraulik und Pneumatik, auch als geschlossenes System mit Schutzart IP67, ist problemlos möglich. Typische Anwendungsbeispiele finden sich daher sowohl im industriellen als auch im automotiven Bereich: So eignen sich Indres-Sensoren z.B. hervorragend als Lenkwinkelsensor, in sogenannten Steer-by-Wire-Systemen, die eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Spurstange überflüssig machen. Der Fahrerwunsch „lenken“ wird über den Lenkwinkelsensor aufgenommen und an die Elektronik weitergeleitet. Diese gibt das Signal für den Stellmotor vor, der den Wunsch entsprechend dem jeweiligen Fahrzustand in eine Lenkaktion umsetzt. Weitere Einsatzbeispiele gibt es bei E-Gassystemen (Bild 2), der Stellungsüberwachung der Drosselklappe oder Bremssystemen. Hinzu kommen industrielle Messaufgaben beispielsweise bei Anwendungen im Hydraulik- und Pneumatik-Bereich. Translatorische Indres-Aufnehmer lassen sich direkt im Druckbereich von Zylindern integrieren. Für die Hohlwellenmontage ausgelegte rotative Systeme können auch nachträglich verschleißbehaftete Potentiometerlösungen ersetzen. Je nach den Erfordernissen der Applikation lassen sich die Indres-Sensoren in unterschiedlichen Redundanzstufen auslegen, das heißt auch in diesem Punkt ist eine applikationsspezifische Anpassung möglich.
Dynamisches Verhalten
Bei Anwendungen, die von den eingesetzten Weg- und Winkelaufnehmern hohe Dynamik verlangen, können induktiv-resistive Systeme ebenfalls überzeugen. Im Gegensatz zu abtastenden Verfahren beispielsweise fallen hier durch die komplett analoge Signalverarbeitung keine Rechenzeiten an. Bild 3 zeigt einen Dynamikvergleich zwischen einem Indres- und einem zeitdiskreten Sensor. Verglichen wurden der gemessene Schleppfehler eines induktiv-resistiven Sensors der Baureihe TLC mit Spannungsausgang mit dem simulierten Schleppfehler eines Wegsensors, der zeitdiskret misst bzw. wegen seiner internen Rechenzeit den Messwert erst nach einer gewissen „Totzeit“ am Ausgang zur Verfügung stellt. Obwohl der Vergleich von einem simulierten, also idealen zeitdiskreten Sensor ausgeht, schneidet der reale Indres-Sensor deutlich besser ab. Sein Schleppfehler ist erheblich kleiner. Ein weiterer Test bestätigt dieses Ergebnis (Bild 4). Hier wird eine schnelle, „zeitlose“ Bewegung des Ferrits in einem Indres-Sensor durch einen elektrischen Signalsprung simuliert. Der Einschwingvorgang ist nach ca. 600 µs abgeschlossen, d.h. die Ausgangsspannung ändert sich nicht mehr gegenüber dem eingeschwungenen Endwert. Mechanische Schwingungen bis in den Bereich von 1 kHz sind dadurch mit hoher Genauigkeit messbar. Die Indres-Sensoren eignen sich damit auch für Applikationen, die hohe Anforderungen an das dynamische Verhalten stellen. Berücksichtigt man dazu die Vielzahl ihrer praxisgerechten Eigenschaften, sind sie gerade in solchen Anwendungsbereichen praktisch ohne ernstzunehmene Alternative. Denn der vergleichsweise einfache Aufbau ermöglicht ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis.
Einfacher Aufbau: günstiges Preis-/Leistungsverhältnis
Im Gegensatz zu LVDTs beispielsweise sind keine Permanentmagnete erforderlich, die große Anforderungen an Fertigungstechnik und Materialtechnik stellen, vor allem wenn es um hohe Dynamik geht. Das Widerstandsnetzwerk der Indres-Sensoren dagegen ist produktionstechnisch vergleichsweise einfach in den Griff zu bekommen. Die Firma Novotechnik kann hier ihr Know-how bei Siebdruck und Materialmischung aus der Potentiometerfertigung einsetzen, somit lassen sich erprobte Verfahren nutzen.
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