Induktive Sensoren: Präzise Messung von Weg und Neigung

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Angebot und Nachfrage bei Sensoren steigen. Doch weiterhin gilt es, die Anforderungen der Anwendung mit dem passenden Messprinzip abzugleichen. Hier ein Blick auf Sensoren zur präzisen Messung von Weg und Neigung.

In jüngster Zeit ist der Bedarf an Sensoren zum Erfassen von Wegen und Winkeln stark angestiegen – und zwar über alle Sektoren: von der Automatisierung über mobile Maschinen, Wind- und Solarkraftwerke, die Qualitätsprüfung bis hin zur Prozessüberwachung und zu Forschung und Entwicklung. Die optimale Lösung für jeden Bedarfsfall benötigt einen angepassten Sensor, der nach den Kriterien Messbereich, Auflösung, Genauigkeit Bauform, Umgebung und natürlich Kosten auszuwählen ist (induktive Sensoren).

Neue Sensoren für die Industrie 4.0

Der in allen Spielarten der industriellen Produktion zu beobachtende starke Anstieg des Bedarfs an analogen Sensoren zur Weg und Winkelmessung legt einen konzentrierteren Blick auf die Konzeption, die Funktionsweise und die Anwendungsmöglichkeiten dieser Art technischer Komponenten für Messaufgaben nahe. Zunächst soll Grundsätzliches zum Aufbau der verschiedenen Sensoren am Beispiel der a.b.jödden gmbh betrachtet werden.

Kontaktlos und induktiv

Der typische induktive, also kontaktlose Wegaufnehmer basiert auf dem Prinzip der Differentialdrossel (Bild 1). Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein Kern aus Eisen-Nickel-Legierung (NiFe) axial bewegt. Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den beiden Spulenhälften. Eine externe oder integrierte Elektronik wandelt die Position in ein wegproportionales, analoges Signal um.

Diese einfache Art der absoluten Wegerfassung bis 360 Millimeter ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelementes. Durch Einbau des Spulensystems in ein Edelstahl- oder NiFe-Gehäuse mit anschließendem Komplettverguss der Hohlräume wird ein analoger Sensor geschaffen, der in einem Temperaturbereich zwischen -40 und +150 Grad Celsius eingesetzt werden kann.

Mit dem gleichen technischen Know-how entstehen auch induktive Winkelaufnehmer. Ein NiFe-Rotor wird durch zwei Spulenhälften gedreht. Die dabei entstehenden Induktivitätsänderungen werden in einer integrierten oder externen Elektronik in winkelproportionale analoge Signale gewandelt. Die Welle des Winkelaufnehmers ist frei durchdrehbar. Der maximale Messwinkel beträgt 120 Grad.

Induktive Sensoren in Kraftwerken

Ein bekanntes, wichtiges und auch zunehmend relevantes Bewährungsfeld für induktive Wegaufnehmer sind Kraftwerke. Zum Beispiel verwendet man die Aufnehmer zur Erfassung von Stellungen in Hochdruck-Dampf-Bypassventilen und Wassereinspritzventilen an Dampfturbinen in Kraftwerken. Hier gibt es die Forderung, die Ventilstellung zwischen 0 und 100 Prozent (entspricht 4 bis 20 Milliampere Ausgangssignal) exakt zu erfassen. Um die mechanischen Toleranzen der Ventile auszugleichen, müssen Anfangs- und Endwert der Wegaufnehmer einstellbar sein. Eine weitere Forderung: eine einfache und zuverlässige Montage und Justierung der Wegaufnehmer.

Eben diese Forderungen erfüllen programmierbare induktiven Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik. Bei ihnen wird der analoge Messwert mit einem 16-Bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte erfolgt mit den in einem EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen. Die digitale Information wird mit einem 16-Bit-D/A-Wandler in normierte Ausgangssignale 0(4) bis 20 Milliampere oder 0 bis 5(10) V umgeformt. Der für die Anwendung benötigte Messweg lässt sich vom Anwender programmieren.

Der Wegaufnehmer wird auf den gewünschten Anfangspunkt gestellt und ein Kontakt am Stecker- oder Kabelausgang für mindestens 2 Sekunden mit der Betriebsspannung verbunden. Dadurch stellt sich das Ausgangssignal auf den Anfangswert ein. In der gleichen Weise definiert man den Endwert. Die erfolgreiche Programmierung wird durch kurzzeitigen Wechsel des Ausgangssignals auf Mittelstellung signalisiert-eine Technik, mithilfe derer unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer darstellbar sind.

Ein Wegaufnehmer mit nominal 150 Millimetern Messweg kann Messwege von minimal 0 bis 26 Millimetern bis maximal 0 bis 160 Millimetern in ein 0-bis-10-Volt-DC-Signal umsetzen. Der zulässige Betriebsspannungsbereich zwischen 9 und 32 Volt, die hohe Genauigkeit von 0,1 Prozent und die verschiedenen Ausgangssignale ermöglichen den Einsatz in vielen Bereichen.

Zusätzliche mechanische Anbauten, wie Kugelgelenke an Stößel und Gehäuse, Schutzrohre oder Tasterversionen mit Rückholfedern sind lieferbar. Der elektrische Anschluss erfolgt wahlweise über Stecker oder wasserdicht angegossenes Kabel. In letztere Ausführung wird die Schutzart IP68 (Untertauchen) erreicht.

Miniatursensoren mit integrierter Elektronik

Die induktiven Wegsensoren der Baureihe SM34 mit einem Durchmesser von 10 Millimetern und integrierter Elektronik erfassen Messwege bis 20 Millimeter (Bild 3). Dazu wertet ein integrierter Microcontroller die durch die axiale Verschiebung eines NiFe-Metallkernes hervorgerufene Induktivitätsänderung aus. Die Betriebsspannungen von 5 oder 24 Volt DC und der geringe Betriebsstrom von nur 3 Milliampere ermöglichen den Einsatz auch in mobilen Systemen. Das wegproportionale, analoge Ausgangssignal von 4 bis 20 Milliampere oder 0 bis 10 Volt DC kann von vielen Auswerteeinheiten direkt verarbeitet werden. Des Weiteren sind digitale Schnittstellen wie RS232 oder PWM-Signale möglich.

Auch diese Miniatursensoren in Schutzart IP68 können bei extremen Umweltbedingungen wie Ölnebel, Schlamm, Regen und Staub eingesetzt werden und widerstehen Schockbelastungen bis 250g (SRS) sowie Vibrationsbelastungen bis 20g (RMS).

Induktive Sensoren: Neigung, Beschleunigung und Vibration

Die Messelemente der Neigungs-, Beschleunigungs- und Vibrationssensoren werden in robuste Metallgehäuse montiert und vergossen. Bei einem Ausgangssignal von 0,5 bis 4,5 Volt DC und einer Betriebsspannung von 5 oder 7 bis 35 Volt DC können die Sensoren bei Temperaturen zwischen -40 und 100 Grad Celsius eingesetzt werden.

Typische Anwendungsgebiete für induktive Sensoren sind sogenannte Tilt-Anwendungen, (Neigungsgrenzwertgeber, Nivellierung von Maschinen, Apparaturen und Messgeräten sowie automatische Nivellierung von Auslegern, Baggerschaufeln, Plattformen), Neigungs- und Winkelmessung (Neigungsmesswertgeber für Messgeräte, Fahrzeuge, Eisenbahnwaggons, Operationstische, Bau- und Produktionsmaschinen), Beschleunigungsmessungen (Aufprallüberwachung an Eisenbahnwaggons, Schock- und Crash-Monitoring, Bewegungserfassung für die Fitnessanalyse, Freifallerkennung), Automotive Anwendungen (ESP-Systeme, ABS-Systeme) sowie Vibrationsmessungen (Lagerschadenfrüherkennung, Diebstahlsicherung).

Sensoren gibt es heute auch über die dargestellten Modelle von a.b.jödden hinaus in einer schier unüberschaubaren Vielfalt. Dies kann zum einen als Grund für die starke Nachfrage fixiert werden. Ein weiterer Grund ist die gestiegene Qualität und Performance der Sensoren, ebenso wie die ausgeprägte Service-Orientierung ihrer Hersteller auf dem Zuliefersektor. Die Fähigkeit zu umfassender Dienstleistung, gepaart mit großer Lösungskompetenz wird von den Zulieferern zukünftig weiter vervollkommnet.

Der Autor Dipl.-Ing. Bernd Jödden ist Geschäftsführender Gesellschafter der a.b.jödden gmbh in Krefeld.

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