Winkelsensoren: Weltraumtauglich, robust und präzise

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Potentiometrische Sensoren auf Leitplastikbasis sind oft die bevorzugte Lösung im Weltall, wenn es gilt, Wege oder Winkel präzise zu bestimmen. Die robusten Sensoren arbeiten auch in solch anspruchsvoller Umgebung zuverlässig, sind lang­lebig und obendrein auch noch kostengünstig. Zudem lassen sie sich perfekt an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen.

Winkelsensoren im All: Nur in wenigen denkbaren Anwendungen müssen Messtechnik und Sensoren so robust sein wie im Weltraum. Unter Einfluss extremer Umgebungsbedingungen wie Hitze und Kälte muss Technologie hier zuverlässig arbeiten. Die im Weltall allgegenwärtige kosmische Strahlung ist außerdem nicht nur für lebende Organismen schädlich, sondern kann auch Elektronik beeinträchtigen. Während auf der Erde das Erdmagnetfeld diese Strahlung fast komplett abschirmt, kann in Satelliten und Weltraumsonden nur entsprechend widerstandsfähig ausgelegte Sensorik verwendet werden. Potentiometrische Sensoren auf Leitplastikbasis sind robust und lassen sich individuell anpassen.

Winkelsensoren für Satellitensysteme

Raumschiffe, die sich angetrieben von gigantischen Sonnensegeln pfeilschnell durchs Weltall bewegen, gibt es bislang nur in Science-Fiction-Filmen. Bei Satelliten und Raumsonden, die in der Erdumlaufbahn kreisen oder fremde Planeten erkunden, sind solarelektrische Triebwerke aber mittlerweile Realität. Beispiele sind die Sentinel-Satelliten zur Erdbeobachtung, die Raumsonde BepiColumbo, die 2018 zum Merkur startete, sowie die geplante Juice-Mission, die vor allem den Jupitermond Ganymed untersuchen soll. Um die Sonnenenergie bestmöglich zu nutzen, müssen die Solar-Arrays geeignet ausgerichtet sein.

Diese Aufgabe übernehmen ausgeklügelte Verstellmechanismen. Sie stammen bei den genannten und zahlreichen weiteren Weltraumprojekten vom norwegischen Hersteller Kongsberg Defence & Aero­space, der als Spezialist auf diesem Gebiet gilt. Die SADM (Solar Array Drive Mechanism) sorgen durch eine spezielle Motor-Getriebe-Konstruktion dafür, dass die Solar-Panels immer optimal zur Sonne ausgerichtet sind. Auch die Antennen der Datenübertragungssysteme der Satelliten brauchen Verstellmechanismen von Kongsberg. Hier kommt es ebenfalls auf eine genau anpassbare Ausrichtung an. Für eine zuverlässige Funktion sind beide Antriebsmechanismen auf eine exakte Positionserfassung angewiesen. Die passende Sensorik zu finden, ist aber nicht unbedingt einfach.

Weltraumtauglich, robust und ausreichend genau

Johan A. Mürer, einer der Projektverantwortlichen bei Kongsberg, erinnert sich: „Bei unseren ersten Projekten verwendeten wir in unseren Antriebsmechanismen für die Positionserfassung optische 17-Bit-Encoder, zum Beispiel bei der Weltraumsonde Rosetta. Deren Glasgitterscheibe ist jedoch beim Weltraumeinsatz eine kritische Komponente, und es sind aufwendige Schutzmaßnahmen erforderlich, um die nötige Auswerteelektronik vor kosmischer Strahlung zu schützen.“ Die Norweger suchten deshalb nach einer praxisgerechten Alternative. Schnell stießen sie dabei auf die Potentiometer-Technologie des Sensorik-Spezialisten Novotechnik, die bereits in der Cassini-Huygens-Sonde ihre Weltraumtauglichkeit bewiesen hatte.

Potentiometrische Sensoren auf Leitplastikbasis liefern als Absolutwertgeber genaue Messergebnisse, sind zuverlässig und lassen sich auch von widrigen Umgebungsbedingungen und extremen Temperaturen nicht beeinträchtigen. Ihre analogen Ausgangssignale kann man sehr einfach weiterverarbeiten. „Diese Sensoren arbeiten zudem ohne Halbleiter, die vor Strahlung geschützt werden müssten“, ergänzt Mürer. „Der Aufbau wird insgesamt deutlich einfacher und robuster, die Messwerte sind genau.“ Ein auf die Applikation angepasstes, redundantes Leitplastik-Poten­tiometer spielt deshalb in den Antriebsmechanismen für die Ausrichtung der Solar-Arrays und Antennen eine Schlüsselrolle.

Redundantes System nach Kundenvorgaben

Das spezifische Rundpotentiometer wurde nach Kundenvorgaben aus dem Standardprogramm abgeleitet, entspricht jedoch ansonsten dem Qualitätsniveau der hochwertigen Leitplastik-Sensorsysteme, die üblicherweise für industrielle Anwendungen bestimmt sind. Es besteht aus zwei Statoren und einem Rotor, die wiederum aus speziellen FR4-Verbundsubstraten bestehen. Der Rotor wird so zwischen den gegenüberliegenden Statoren mit den Widerstandsbahnen platziert, dass die Schleifkontakte des Rotors beide Sensorelemente kontaktieren. Der große Innendurchmesser ermöglicht die Durchführung von Elektrokabeln bei SADM und HF-Wellenleitern bei den Antennen-Antriebsmechanismen. „Letzteres war für uns ein wichtiges Kriterium, weil wir die Konstruktion sonst kaum hätten realisieren können“, so Mürer weiter. Vorteilhaft erwiesen sich aber auch das durch die flache Bauweise kleine Volumen des Sensors und sein geringes Gewicht. Die Winkelposition stellt das Leitplastik-Potentiometer als absolutes Analogsignal zur Verfügung. Die elektrische Schnittstelle ist einfach, lediglich drei Leitungen müssen angeschlossen werden.

Test im Hochvakuum

Auch die beim Raumfahrteinsatz hohen Anforderungen bereiteten keine Probleme: Das Weltraumpotentiometer hat zusätzlich zum Lebensdauertest bei den Norwegern die bisher längste Hochvakuum-Prüfung (unter einem Millibar) der Firmengeschichte absolviert: Nahezu 13 Millionen Zyklen bei einer durchschnittlichen Bewegung von 205 Grad. Während des Tests wurden keine Abweichungen oder Unregelmäßigkeiten festgestellt. Bei der anschließenden Inspektion zeigte sich kein Verschleiß an den Widerstandsbahnen, lediglich eine leichte Politur. Gleiches galt für die Schleifer. Das Potentiometer hat damit bewiesen, dass es im realen Weltraumeinsatz immer zuverlässig arbeiten wird.

Auch bei zukünftigen Projekten werden die Winkelsensoren deshalb an Bord der Satelliten und Raumsonden sein. Bevor sie dort typischerweise je nach Mission zehn, zwölf Jahre lang zuverlässig ihren Dienst verrichten, überstehen sie auch lange Lagerzeiten, ohne Schaden zu nehmen. Neben der Zeit im Weltraum können die Potentiometer bis zu zehn Jahre bei Kongsberg und bis zu 20 Jahre beim Satelliten­integrator lagern, ehe sie schließlich ins Weltall geschossen werden.

Winkelsensoren für technikfeindliche Umgebung

Von der Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der potentiometrischen Sensoren lässt sich in vielen anderen Anwendungsbereichen profitieren. Die Einsatzpalette ist breit gefächert: Aufgrund ihres ausgesprochen guten Preis-/Leistungsverhältnisses sind potentiometrische Weg- und Winkelsensoren sowohl in automotiven Anwendungen als auch im industriellen Bereich weit verbreitet, etwa für die Istwert-Erfassung am Drosselklappensteller moderner PKWs, bei Stellsystemen für PKW- und LKW-Sitze, Fensterhebern, Cabrio-Verdecken oder Spiegelsystemen.

Auch im industriellen Umfeld sind potentiometrische Sensoren oft ohne ernstzunehmende Konkurrenz, denn vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Linearitätswerte, Auflösungen, Hysteresewerte und Temperaturbereiche sind sonst nur mit deutlich höherem Aufwand zu erreichen. Zu den typischen Einsatzbereichen zählen beispielsweise Stell­antriebe, Robotersteuerungen, Ventilposi­tionierung, die Stellung von Pneumatik- und Hydraulikzylindern, Tür- und Torantriebe, Werkzeugmaschinen, Kunststoffspritz­maschinen, Förder- und Hubfahrzeuge, Verpackungsmaschinen, Hydraulikpressen, die elektrohydraulische Hebezeug- und Fördertechnik, Druckmaschinen, Steinformmaschinen und Ultraschallschweißsysteme. Auch in der Medizintechnik oder im Schiffsbau und bei mobilen Arbeitsmaschinen sind potentiometrische Weg- und Winkelaufnehmer oftmals eine optimale Lösung, die ihre Zuverlässigkeit auch in technikfeindlicher Umgebung bewiesen hat.

Der Autor Stefan Sester ist Leiter technischer Vertrieb bei Novotechnik. Autorin Ellen-Christine Reiff arbeitet im Redaktionsbüro Stutensee.

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