Entspannen Sie sich!

Der Einsatz von Sensoren zur Erfassung von Wegen und Positionen steigt in der Industrie immer weiter an. Es benötigt robuste Sensorik, um Anlagen sicher betreiben zu können. Auch wenn digitale Sensoren immer weiter verbreitet sind, bedeutet das keine Minderung des Analogmarktes. 

Analoge Sensoren glänzen mit einem ausgezeichneten Preis-Leistungsverhältnis und können kostenschonend individuell an jeden Einsatzzweck angepasst werden. Zudem besticht die berührungslose Messtechnik der Krefelder Experten a.b.jödden durch eine großartige Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Weitere Features wie der Komplettverguss, um IP Schutzklassen zu realisieren, oder die auf Wunsch auch extern und damit eingehaust zu betreibenden Elektroniken bieten für viele Unternehmen Vorteile.   

Bewährte Technik: Die induktive Halbbrücke 

In der Weg- und Winkelmesstechnik werden bereits seit vielen Jahren induktive Weg- und auch Winkelaufnehmer eingesetzt. Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differentialdrossel. Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein NiFe-Kern axial bewegt. Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den beiden Spulenhälften, die durch eine externe oder integrierte Elektronik in ein wegproportionales, analoges Signal umgewandelt wird.  

Diese einfache Art der absoluten Wegerfassung ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelementes. Der Einbau in ein Edelstahl- oder NiFe-Gehäuse mit anschließendem Komplettverguss ergibt einen analogen Sensor der im Temperaturbereich zwischen -40°C und +125°C eingesetzt werden kann, der problemlos die Schutzart IP68 (untertauchen bis zu 50 m) erreicht und bis 250 g schock- und vibrationsfest ist. 

Es ist also egal, ob ein Reinraum zur Verfügung steht oder Dämpfe und Stäube in der Luft liegen. Die integrierte Elektronik in Verbindung mit der Miniaturbauweise erlaubt den Einsatz auch eng nebeneinander bei schwierigen Platzverhältnissen. 

Der streng symmetrische Aufbau der Spulenhälften sorgt für eine sehr gute Linearität, hohe Reproduzierbarkeit, Hysteresefreiheit und Temperaturstabilität. Elektronische Temperaturkompensation und Linearisierung sind bei diesen Systemen nicht erforderlich. Dem Anwender stehen mit diesen Sensoren sehr robuste, einfach zu handhabende und absolut messende Systeme zur Verfügung. Auch die vom Anwender durchzuführende Verdrahtung der Sensoren in der bewährten 2- oder 3-Leitertechnik ist einfach und zuverlässig. Jeder Sensor wird mit einer 2- oder 3-adrigen, abgeschirmten Leitung verbunden. Der niederohmige Abschlusswiderstand in der Empfangselektronik (SPS, IPC oder Anzeigegerät) gewährleistet die sehr störsichere Übertragung der analogen Signale. Typische Einsatzgebiete dieser Sensoren sind u. a. die Istwerterfassung in geschlossen Regelkreisen. Mit dem verschleißfreien Messverfahren sind Regelungen hoch dynamischer Vorgänge problemlos möglich. 

Wenn die Elektronik außen liegen soll 

In manchen Fällen muss die Auswertelektronik außen liegen. Dann bieten sich induktive Wegaufnehmer an, die nur aus einem Spulensystem bestehen Die Wegaufnehmer werden über separate Elektronikmodule gespeist, welche die Signale empfangen. auswerten und weiterleiten. 

So enthalten die Module der Serie SM12 den hauseigenen ASIC SM17 zum Betrieb von induktiven Weg- und Winkelsensoren. Sie versorgen die Sensoren mit einer stabilisierten Wechselspannung und wandeln das Messsignal in eine Gleichspannung um, proportional zum gemessenen Weg oder Winkel. Diese wird mit einem 16-Bit A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrokontroller verarbeitet. Die digitale Information wird mit einem 16-Bit D/A-Wandler in ein normiertes Ausgangssignal von 0(4) - 20 mA oder 0 - 5(10) V umgeformt. Die Grundverstärkung wird über Jumper und ein Potentiometer voreingestellt. Der Anfangs- und der Endpunkt des Messbereichs können über Taster oder Klemmenanschlüsse programmiert werden. Optional kann eine Korrektur der Messwerte mit den, in einem EEPROM abgelegten, Genauigkeitsabweichungen des anzuschließenden Sensors erfolgen. Die Module werden im Gehäuse für Normschienen geliefert und sind für Betriebsspannungen zwischen 18 und 32 VDC ausgelegt. 

Drei Messungen in einem Sensor 

Bei der 3D-MEMS-Technologie wird die Prüfmasse aus einem Stück hochreinem Silizium herausgeätzt. Dieses Teil wird hermetisch dicht und isoliert zwischen zwei ebenfalls hochreinen Silizium-Platten eingeschlossen, die gleichzeitig die Kondensatorplatten bilden. Dieser hermetische Einschluss schützt das Sensorelement gegenüber Feuchtigkeit. Durch das Auffüllen mit Gas unter Druck wird das Dämpfungsverhalten der Prüfmasse bestimmt und störende Vibration vermindert. Das einkristalline Material verleiht dem Messbalken eine hohe Schockfestigkeit (20.000g) und gleichzeitig eine sehr hohe Reproduzierbarkeit. Bisher ist keine, durch das Messelement verursachte, Langzeitdrift festgestellt worden. Fehler wie Temperaturhysteresen bilden sich wieder zurück (z.B. nach Temperaturschocks). Weitere große Vorteile der 3D-MEMS-Technologie sind die Unempfindlichkeit gegenüber Verformungen, das wesentlich größere Nutzsignal und dadurch bedingt größere Auflösungen bzw. Genauigkeiten. Die symmetrische Bauform vermindert den Temperatur-Koeffizienten beträchtlich. Das Sensorelement ist nur 1,4 x 1,4 x 2 mm groß und aus drei verschiedenen Wafern ausgesägt. Diese drei Elemente werden in einem speziellen Verfahren mit den Glaszwischenschichten verschweißt und sind hermetisch dicht. Die Verbindungsstellen sind so fest, dass sie nicht mehr voneinander getrennt werden können. Um störende Einflüsse von Vibration bei der Neigungswinkelmessung zu verhindern sind nicht nur Gas- (bis 6 Hz), sondern auch elektronisch gedämpfte Sensoren erhältlich. Die 3D-MEMS Sensoren erreichen bei einer Auflösung von bis 0,008° eine Reproduzierbarkeit besser als 0,01° und eine Langzeitstabilität von 0,03° über 1 Jahr. 

Grundsätzlich kann mit den gleichen Sensoren Neigung, Beschleunigung und Vibration gemessen werden. Bei der Neigungsmessung ist die Prüfmasse senkrecht, d.h. gegen den Erdmittelpunkt gerichtet. Neigt sich der Sensor, bewegt sich die Prüfmasse durch die Erdgravitation zum Erdmittelpunkt. Das Verhalten des Ausgangssignals gegenüber dem Winkel ist sinusförmig, damit ist die Auflösung bei Winkeln um 0° maximal. 

Bei Vibration und Beschleunigung erfolgt die Montage grundsätzlich vertikal bzw. im 90° Winkel zur Prüfmasse. Wirken Neigung und Beschleunigung gleichzeitig und aus der gleichen Messrichtung, kann man die Physik mit einem anders positionierten, 2. Sensor, überlisten.  

ASIC Inside 

Die Sensoren werden mit integriertem ASIC und einem Ausgangssignal von 0,5…4,5 V über den Messbereich in SMD-Gehäusen von 5 x 10,5 x 11,3 mm Größe angeboten. Die neuen 2-achsigen Sensoren sind mit 5 x 15,6 x 11,3 mm nur unwesentlich größer. Bei den genauesten Neigungssensoren sind zusätzlich noch eine aktive Temperaturkompensation und eine digitale SPI Schnittstelle integriert. Diese Sensoren sind ratiometrisch und benötigen eine gut stabilisierte und rauscharme 5 V (oder evtl. 3 V) Spannungsquelle.  

Im Inneren des 10 x 11 x 6 mm großen SMD-Gehäuses sind rechts das Sensorelement und links der ASIC sichtbar. Diese sind an der Grundplatte angebondet und mit einer Vergussmasse geschützt. Interessant ist, dass der größte Teil des Rauschens vom ASIC und nicht vom Sensorelement herführt. Die Grundplatte zusammen mit den SMD-Anschlüssen ist gleichzeitig die Referenz beim Einbau. Die Sensoren sind in folgenden Bauformen lieferbar: 

• Druckgussgehäuse mit Kabel, 2 Befestigungsbohrungen für Betriebsspannungen zwischen 7 und 36 VDC (ein- und zweiachsig), 
• Robustes Industriegehäuse mit M12 Sensorstecker, 3 Befestigungsbohrungen, Ausgang 4…20 mA (resp. 1…5 oder 2…10 V) Ausgang, ein- und zweiachsig,  
• OEM Printplatine mit 4…20 mA (resp. 1… oder 2…10 V) Ausgang, ein- und zweiachsig  

Neigungswinkelmessung am Bagger 

Eine typische Anwendung von Neigungssensoren ist die Nivellierung von Plattformen bei Kränen, Baggern oder Radladern. Zum einen darf aus Sicherheitsgründen eine bestimmte Neigung der ­Karosserie nicht überschritten werden, zum anderen müssen ­Positionen der Ausleger oder die Schieflage von Schaufeln sicher erfasst werden. 

Hier wird an verschiedenen Positionen der Neigungswinkel gemessen und dem Regelkreis als Istwert zugeführt. Mit diesen Daten wird die Neigung des Baggers ohne Fehler und Drift trotz der rauen Bedingungen auf dem Bau korrigiert. 

Autor: Wirt.-Ing. Michael Heßhaus, Vertrieb & Marketing,  a.b. jödden gmbh,  Krefeld 

Bilder: a.b. jödden