Wegaufnehmer: Induktive Aufnehmer als robuste Problemlöser

Wegaufnehmer in der Praxis: In der Weg- und Winkelmesstechnik werden seit vielen Jahren induktive Aufnehmer eingesetzt. Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differentialdrossel. Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein Kern aus Nickel-Eisen (NiFe) 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.

Der Einbau in ein Edelstahl- oder NiFe-Gehäuse mit anschließendem Komplettverguss ergibt einen analogen Sensor, der im Temperaturbereich zwischen -40 und +125 Grad Celsius eingesetzt werden kann und dabei die Schutzart IP68 (untertauchen bis zu 50 Metern) erreicht. Auch bis zu 250 g Schock und Vibrationen stellen kein Problem dar.

Die Auswertelektronik der Wegaufnehmer

Die Auswertelektronik versorgt die Sensoren mit einer hochkonstanten Wechselspannung. Das Messsignal wird phasenrichtig demoduliert, verstärkt und als normiertes Ausgangssignal mit 0(4)bis 20 mA, 0 bis 10 V(DC) oder ±10 V(DC) zur Weiterverarbeitung ausgegeben. Die Elektronik kann je nach Anwendungsfall als 1- oder 2-kanalige Version in verschiedenen Gehäusen oder im Sensor integriert, ausgeführt werden. Die verwendete Wechselspannung zur Versorgung der induktiven Sensoren mit einer Frequenz von 10 Kilohertz ermöglicht die Erfassung hoch dynamischer Messvorgänge. Die standardmäßig eingestellte Grenzfrequenz beträgt 800 Hertz und kann auf Kundenwunsch auf 4 Kilohertz erhöht werden. Die verschleißarme und wartungsfreie Ausführung der Sensoren bedeutet eine zuverlässige Funktion mit langer Lebensdauer. Die erforderlichen Betriebsspannungen sind variabel und können den Anwendungen angepasst werden, beispielsweise 11 bis 17 V(DC) bei Einsatz in Kraftfahrzeugen.

Symmetrischer Aufbau

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, absolut messende Systeme zur Verfügung. Auch die vom Anwender durchzuführende Verdrahtung der Sensoren in der bewährten Zwei- oder Dreileitertechnik ist einfach und zuverlässig. Jeder Sensor wird mit einer zwei- oder dreiadrigen, 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 unter anderem die Istwerterfassungen in geschlossen Regelkreisen. Mit dem verschleißfreien Messverfahren sind Regelungen hoch dynamischer Vorgänge problemlos möglich.

Wegaufnehmer: Sensorausführungen

Die induktiven Messtaster der Serie SM22 von a.b.jödden sind in vielen Montage- und Prüfautomaten im Einsatz. Die Taster der Modellreihe SM224 haben eine vorgespannte, handgeläppte lineare Kugelführung. Der geringe Außendurchmesser von nur acht Millimetern ermöglicht eine Anordnung von mehreren Tastern nebeneinander bei geringem Platzbedarf.

Eine Anwendung ist die Prüfung auf korrekte Befüllung von Kapseln. Durch die auswechselbaren Messeinsätze werden die Taster an die jeweilige Messaufgabe angepasst. Im vorliegenden Fall der Kapselprüfung wird mit einer zylinderförmigen Tastspitze die vorgeschriebene Befüllung einer Hülse gemessen. Die hohe Taktzeit erfordert eine schnelle Reaktion der Taster und der nachgeschalteten Auswertung. Die maximale Entfernung zwischen den Tastern und der Elektronik kann dabei bis zu 100 Metern betragen.

Die verschleißarme und wartungsfreie Ausführung der Taster bedeutet eine zuverlässige Funktion mit langer Lebensdauer. Weitere Ausführungen der Taster haben die Auswerteelektronik bereits integriert. Die erforderlichen Betriebsspannungen sind variabel und können den Anwendungen angepasst werden.

Programmierbare Elektronikmodule

Die Module der Serie SM13 enthalten den hauseigenen ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) SM17 zum Betrieb von induktiven Weg- und Winkelsensoren. Sie versorgen die Sensoren mit stabilisierter Wechselspannung und wandeln das Messsignal in eine, zum gemessenen Weg oder Winkel, proportionale Gleichspannung um. Diese wird mit einem 16Bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrokontroller verarbeitet. Die digitale Information wiederum wandelt ein 16Bit-D/A-Wandler in ein normiertes Ausgangssignal um.

Die Grundverstärkung lässt sich über Jumper und ein Potentiometer voreinstellen. Der Anfangs- und der Endpunkt des Messbereichs kann über Taster oder Klemmenanschlüsse programmiert werden. Optional kann eine Korrektur der Messwerte mit den in einem EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory) abgelegten Genauigkeitsabweichungen des anzuschließenden Sensors erfolgen. Die Module werden im Gehäuse für Normschienen geliefert und sind für Betriebsspannungen zwischen 18 und 32 V(DC) ausgelegt.

Optional sind Ausführungen mit Drahtbrucherkennung, Schaltausgängen, erweitertem Betriebsspannungsbereich, galvanischer Trennung oder USB-Anschluss lieferbar. Der elektrische Anschluss der induktiven Weg oder Winkelsensoren erfolgt über Schraubklemmen am Gehäuse.

Anwendung in Werkzeugmaschinen

An Werkzeugmaschinen war die Anforderung kleine Wege bis vier Millimeter mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Der Stößel des Wegaufnehmers führt, da an einem Hebel befestigt, eine kreisförmige Bewegung aus. Für diesen Einsatzfall wurde ein Wegaufnehmer entwickelt, dessen Spulenkörper einen Innendurchmesser von sechs Millimetern aufweist. Mit einem Kerndurchmesser von drei Millimetern ist genügend Spiel vorhanden, um die Kreisbewegung durchzuführen.

Nur die axiale Stößelbewegung erzeugt eine Induktivitätsänderung in den beiden Spulenhälften. Radiale Bewegungen zur Messrichtung werden nicht erfasst. Auch dieser Wegaufnehmer hat die Schutzart IP68 und kann im Nassbereich eingesetzt werden. Die Speisung und Auswertung erfolgt durch externe, zweikanalige Elektronikmodule, eingebaut im Schaltschrank.

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

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