Industrielle Automation 6/2017

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Zeitreise der Längenmesstechnik Von bewährten Verfahren bis hin zu modernen elektronischen Messsystemen der Gegenwart Für die präzise Messung linearer Distanzen oder Bewegungen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Je nach Anforderungen zum Messbereich und der Genauigkeit werden Maßbänder, Messschieber oder Mikrometerschrauben verwendet. Doch für welche Anwendung eignet sich welches Messsystem, wie ist deren Funktionsweise und worin liegen die Unterschiede? Ob Maßbänder, Messschieber oder Mikrometerschrauben – all diese Messmethoden beruhen auf dem Vergleich mit einem Messwerkzeug, das als Referenz dient. Die bekannteste Referenz für Längenmessungen ist das Urmeter in Paris. Hiermit wurden fast zwei Jahrhunderte lang alle metrischen Längenmesssysteme verglichen und kalibriert. Im Zuge der internationalen Harmonisierung von Maßen und Gewichten beruht auch das Zoll neuerdings auf dem Meter. Der Beitrag beschreibt nun bekannte Messverfahren mit einem neuen elektronischen Messsystem. Detlef Oldach ist Vertriebsleiter bei der TWK-Elektronik GmbH in Düsseldorf Elektronische und potentiometrische Messung Bei der automatisierten Messung kommen ausschließlich Messsysteme mit elektronischer Schnittstelle zum Einsatz. Auch sie basieren auf einer Referenz als Maßverkörperung. Bei den elektronischen Messsystemen ist das Spektrum der Ausführungen sehr breit, denn auch hier gibt es eine Vielzahl an Messbereichen, geforderten Genauigkeiten und benötigten Schnittstellen. Das einfachste und bekannteste elektrische Längenmesssystem ist das Potentiometer. Es besteht aus einer Widerstandsbahn, die von einem Schleifer abgetastet wird. Diese Widerstandsbahn besteht aus einer Drahtwicklung oder bei neueren Potentiometern aus Leitplastik. Die Leitplastikbahn kann zur Steigerung der Genauigkeit mit Lasertrimming nachgearbeitet werden. Bei diesem Lasertrimming wird die Leitplastikbahn mit einem hochgenauen Referenzgeber verglichen und von einem Laserstrahl entsprechend zurechtgeschnitten. An die Widerstandsbahn wird eine Spannung angelegt, die sich gleichmäßig über die gesamte Länge der Widerstandsbahn verteilt. So ergibt sich am Schleifer eine Spannung zwischen 0 V und UB je nach seiner Position. 01 Das Planarspulen-Messsystem besteht aus einem Sensor mit Planarspule, montiert mit Kugelgelenken – sie arbeiten berührungslos und verschleißfrei Der Vorteil dieses Messsystems ist die Einfachheit im Aufbau und die niedrigen Herstellungskosten. Nachteil ist die Abnutzung der Widerstandsbahn durch den Schleifer. Moderne Potentiometer erlauben 50 bis 100 Mio. Schleiferspiele. Die Anzahl der zulässigen Schleiferspiele scheint groß zu sein – aber nur auf den ersten Blick. Denn für die Abnutzung ist es unerheblich, ob wirklich eine Messung erfolgt oder ob Vibrationen die Ursache für die Bewegungen des Schleifers sind. Eine Anlage, die mit 3 Hz vibriert, hat im Dauerbetrieb nach 24 h 1/2 Mio. Schleiferspiele erzeugt. Nach weniger als einem Jahr ist das Potentiometer dann unbrauchbar. Induktive Längenmessung In einer Doppelspule bewirkt ein Stößelkern aus Nickeleisen eine Änderung der Induktivitäten. Die Spule hat eine Mittenanzapfung und besteht somit aus zwei Teilen. Der Nickeleisenkern sitzt mittig in der Spule, sodass eine Verschiebung des Stößels die Induktivität beider Spulenteile gegensinnig ändert. Eine anschließende Elektronik misst den Wechselstromwiderstand beider Spulenhälften und erzeugt ein Ausgangssignal, das der Verschiebung des Stößels entspricht. Die Spule mit Mittenanzapfung arbeitet nach dem Prinzip einer sog. Halbbrücke. Das Halbbrücken-Prinzip ist in der Messtechnik weit verbreitet. Es liefert zuverlässige Ergebnisse über weite Anwendungsbereiche und erlaubt die Kompensation von Fremdeinflüssen wie Temperaturänderungen und Alterungseffekten. Ein Mikroprozessor in der Elektronik erlaubt verschiedene Anpassungen. So kann die Kennlinie linearisiert oder an Kundenwünsche angepasst werden. Der Ausgangsübertrager 46 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2017

02 Heutige Planarspulen sind gedruckte Spulen, die auf einer Leiterplatte als Leiterbahn aufgebracht werden – sie ersetzen gewickelte Spulen aus Kupferdraht (Bild) 03 Längenmesssysteme finden beispielsweise in der Druckindustrie beim Vermessen bewegter Bahnware ihren Einsatz Ganz groß, wenn’s eng wird: der neue RFD-4000 Präzise Winkelmessung auf engstem Raum: Der neue RFD-4000 ist die Sensorlösung, wo Platz knapp und Budgets klein sind. Unsere mehr als 65-jährige Erfahrung sorgt für starke Leistung bis ins Detail: • 7 mm flacher Sensor • hochwertige Ausführung • magnetisch, absolut • misst berührungslos • ein- und mehrkanalig • robust, IP69k • Messbereich bis 360° • einfache Montage • Kennlinien nach Wunsch Datenblatt-Download kann das Signal in ein Übertragungsprotokoll umsetzen oder einfach nur verstärken. Das Sensorsystem arbeitet intern berührungslos. Die Stößelstange läuft im Gehäuse, eine Berührung ist nicht erforderlich. Seitliche Kräfte können zu einer Berührung des Stößels führen, aber sie erzeugen keine Abnutzung, die die Messung beeinträchtigt. Das Messprinzip erlaubt das Vergießen des Sensors, um seine Festigkeit gegen Vibrationen und Erschütterungen zu verbessern. Längenmessung mit Planarspulen Planarspulen sind gedruckte Spulen. Sie werden auf eine Leiterplatte als Leiterbahn mit einigen Windungen aufgebracht. Die gewickelte Spule aus Kupferdraht wird dadurch ersetzt. Planarspulen haben weniger Induktivität als gewickelte Spulen und sind kostengünstig herzustellen. Der Wegaufnehmer erfasst berührungslos und verschleißfrei die absolute Position eines Stößels mit einem induktiven Resonator. Das System besteht aus einer Erregerspule, die einen am beweglichen Stößel befestigten Resonatorschwingkreis zu elektrischen Schwingungen anregt. Diese Schwingungen werden auf die gedruckten Spulen übertragen. Diese Spulen sind unbeweglich im Gehäuse fixiert. Eine interne Elektronik wertet die Schwingungen nach Amplitude und Phasenlage aus. Da sich Phasenlage und Amplitude der Schwingungen in den gedruckten Spulen nach dem Abstand zur Resonatorspule ändern, kann so die Position des Resonaturspule exakt ermittelt und in ein wegproportionales Signal umgewandelt werden. Das Planarspulen- Messsystem ähnelt dem Potentiometer und dem induktiven System gleichermaßen und wird daher mit den beiden beschriebenen Systemen verglichen. Bilder: Aufmacher Fotolia, sonsige TWK www.twk.de Zusammenfassung Durch die gute Reproduzierbarkeit von gedruckten Spulen reicht die Präzision von Messsystemen mit Planarspulen an die Genauigkeit von Präzisionspotentiometern heran. Die Verschleißfreiheit ergibt eine sehr lange Lebensdauer wie bei den induktiven Systemen. Somit füllen Messsysteme mit Planarspulen den Bereich zwischen Potentiometern und induktiven Wegmessern aus. Das gilt auch für die Herstellkosten. Wir stellen aus: SPS/IPC/DRIVES, Halle 4A, Stand 125 www.novotechnik.de