Kontaktlose Sensortechnik

Volker ParothTechnikredaktion LOGOSStutensee Dipl.-Ing. (FH) Theo W. KesslerTWK ElektronikDüsseldorf

Neben dem eigentlichen Sensor mit seinen sorgfältig aufeinander abgestimmten Spulensystemen gehört zu induktiven Meßanordnungen immer eine entsprechende Speise- und Auswerteelektronik. Zur Speisung benötigt man einen Oszillator, der eine sinusförmige Spannung liefert. Der Sensorspezialist TWK-Elektronik z.B. betreibt seine induktiven Systeme üblicherweise mit einer Frequenz von 10 kHz. Ausgangsseitig braucht man einen Demodulator zur Gleichrichtung sowie eine Spannungsreferenz. Um eine reibungslose Signal-Weiterverarbeitung zu ermöglichen, stellen die Systeme am Ausgang schließlich eine kalibrierte Gleichspannung mit 0…10 V oder einen eingeprägten Strom von 0 bzw. 4…20 mA zur Verfügung. Der Düsseldorfer Hersteller hat Sensoren mit und ohne integrierte Elektronik im Programm. Für die extern zu speisenden Ausführungen gibt es separate Elektronik-Lösungen, z.B. für den Betrieb einzelner induktiver Sensoren oder zum Einsatz mit einer Vielzahl von Meßkanälen. Als zusätzliche Alternative steht eine Ankopplung an Profibus-DP mit Busübertragungsraten bis 12 MBaud zur Verfügung.

Typische Wegaufnehmer ohne integrierte Elektronik sind die Mini-Sensoren der Baureihe IW15. Dies ist angesichts der kleinen Abmessungen kaum verwunderlich. In dem nur 15 mm breiten, 15 mm hohen und 12 mm tiefen Gehäuse ist lediglich das Spulensystem einer induktiven Halbbrücke untergebracht. Es ist vollständig vergossen und bestens gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt. Der zylindrische Stößel aus Edelstahl mit Mu-Metallkern wiegt nur 3 g, der Meßhub beträgt ±1,5 mm. Damit für den Stößel auch bei nicht zentrischer Anlenkung und leicht winkliger Bewegung genügend Raum bleibt, wurde die Innenbohrung mit 6 mm relativ groß gewählt. Selbst bei dieser Nutzung hält das System die mit ±1% angegebenen Toleranzen für Linearität und Empfindlichkeit ein. Bevorzugte Einsatzgebiete sind Meß- und Prüfgeräte, bei denen die Meßgröße nicht durch das Gewicht des Stößels oder durch Reibung verfälscht werden darf, z.B. bei der Messung von Flüssigkeiten mit Schwimmern oder der Ermittlung des Quellverhaltens von Kunststoffen, Textilien, Gummi, usw. Auch die Wegaufnehmer der Serie IW 101, für Wege bis 15 mm, sind zum Betrieb an externen Elektronik-Modulen vorgesehen. Durch das günstige Kosten-/Nutzenverhältnis eignen sie sich besonders für Seriengeräte.

Zum Erfassen größerer linearer Bewegungen wurde z.B. die Reihe IW 250 entwickelt, bei der die Elektronik komplett im Sensorgehäuse integriert ist. Die zylindrischen Wegaufnehmer sind nach Schutzart IP66 gegen Staub und Überflutung geschützt, arbeiten nach dem Prinzip der induktiven Halbbrücke und bieten Standard-Meßhübe von 20, 40, 100 und 200 mm. Unterschiedliche mechanische Varianten mit lose geführtem, eng geführtem und gefangenem Stößel, Kugelgelenken an Stößel und Gehäuseende oder als Taster mit Rückholfeder gestatten die optimale Anpassung an die jeweilige Applikation. Die Auswerteelektronik stellt Spannungen von 0…10 V, -10…+10 V oder eingeprägte Ströme von 0 bzw. 4…20 mA zur Verfügung. Die Sensoren erreichen in den Standard-Kalibrierungen eine Genauigkeit von 0,25%. Weit mehr Informationen über die Stößelposition als bisherige Differentialdrosseln oder Differentialtransformatoren liefert das neuartige Prinzip der partiellen Induktivitätsverteilung, das in der Serie IW 260 verwirklicht wurde: Eine Spule ist dabei in mehrere Wicklungsabschnitte unterteilt. Die Sensoren liefern so bei gleichen Gehäuseabmessungen Meßhübe von 80, 170, 240 und 360 mm, was einer Steigerung von 70 bis 100% gegenüber der Modellreihe IW 250 entspricht.

Induktive Winkelaufnehmer für verschiedene Meßbereiche und Einsatzschwerpunkte vervollständigen das induktive Sensorprogramm. Mit nur 36 mm Durchmesser, einem Gewicht von 85 g sowie dem benötigten Drehmoment von 5 cNcm eignen sich die Sensoren der Serie ID 36 zur raumsparenden Integration in Meß- und Analysegeräte. Sie erfassen Winkel von ±45 ° und sind in zwei unterschiedlichen Varianten erhältlich: eine mit integrierter Elektronik und eine zum Anschluß an externe Module. Eingesetzt werden die Winkelaufnehmer beispielsweise beim Wickeln von Rohren, zur Ausrichtung von Klebedüsen bei Versiegelungsautomaten oder zum Erfassen des Längenwachstums von Maispflanzen.

Winkelbereiche bis 105° deckt das größere und robustere Modell ID 580 ab. Die integrierte Elektronik in moderner SMD-Technik enthält Oszillator, Demodulator, Verstärker und gegebenenfalls Stromeinpräger. Sie ist kurzschlußfest und verpolungssicher. Flansch und Gehäuse sind aus eloxiertem Aluminium gefertigt, die Welle aus nichtrostendem Stahl. Der Rotor ist ohne mechanische Anschläge frei durchdrehbar. Abhängig vom Typ befindet sich der Nullpunkt entweder in der Mitte des Meßbereichs oder an einem Ende. Diese Drehwinkelaufnehmer sorgen beispielsweise in der Textilindustrie für eine gleichmäßige Zugspannung bei der Zuführung von Garnen.

Höchsten mechanischen Beanspruchungen und Sicherheitsanforderungen im Schiffs- und Schwermaschinenbau wird der induktive Drehwinkelaufnehmer IDH 100 im Edelstahlgehäuse mit Schutzart IP68 gerecht. Er ist aus Redundanzgründen mit zwei unabhängig voneinander arbeitenden Differentialtransformatoren einschließlich doppelter Elektronik ausgestattet, die getrennt mit Spannung versorgt werden. Neben dem Standardmeßbereich von 0…60° sind auf Wunsch auch andere Werte realisierbar. Außerdem können die beiden Meßsignale werkseitig für zwei verschiedene Bereiche kalibriert werden. Für Anwendungen unter weniger harten Umgebungsbedingungen gibt es eine Ausführung im Aluminiumgehäuse.

Der induktive Spaltaufnehmer mit Meßbereichen bis 20 mm findet z.B. dort Verwendung, wo die anderen Weg- und Winkelsensoren aus konstruktiven oder sonstigen Gründen nicht „zum Zug kommen“. Er besteht aus zwei durch einen Luftspalt getrennten, gegenüberliegenden Spulen, deren Kopplung sich nach dem Abschattungsprinzip durch eine den Luftspalt durchfahrende Meßfahne verändert (Differentialtransformator). Bedingt durch das Meßprinzip ist der Aufnehmer quer zur Meßrichtung weitgehend unempfindlich. Spulensysteme und Elektronik sind im eloxierten Leichtmetallgehäuse vergossen. Eine Meßfahne aus Kupferblech gehört zum Lieferumfang; aber auch andere Meßfahnen aus gut leitfähigen oder ferritischen Metallen eignen sich. Der Spaltaufnehmer läßt sich auch mit mehreren hintereinander laufenden Meßfahnen betreiben. Über einen Trimmer zum Nachkalibrieren der Empfindlichkeit gleicht man Einflüsse des Montageortes und der Messfahnenausführung aus. Ein Anwendungsbeispiel findet sich bei Verpackungsmaschinen von Molkereiprodukten: Bei der Dichtigkeitsprüfung am Ende des Verarbeitungsprozesses erfaßt die Meßfahne eines Spaltaufnehmers die Wölbung des Deckels, die durch seitlichen Druck auf den Becher hervorgerufen wird. Undichte Becher, deren Deckel sich nicht wölben, werden automatisch ausgeschleust.

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