26. JULI 2016

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Wegmessung ohne Kompromisse


SENSOREN - In der industriellen Wegmessung werden heute bevorzugt berührungslos arbeitende Meßsysteme eingesetzt. Sie basieren auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien, deren Eigenschaften die potentiellen Anwendungsbereiche bestimmen. Trotz der Vielzahl der verfügbaren Lösungen gibt es aber immer noch Applikationen, für die keiner der bekannten Wegaufnehmer so richtig paßt. Bei linearen Meßwegen im Bereich zwischen 20 und 100 oder 200 Millimeter müssen Anwender fast immer Kompromisse eingehen, zum Beispiel hinsichtlich der Baugröße, der Lebenserwartung oder der Investitionskosten. Mit den magneto-induktiv arbeitenden BIL-Wegsensoren von Balluff hat sich das entscheidend geändert.

Für Meßbereiche bis etwa 20 mm beispielsweise bieten induktive analoge BAW-Näherungssensoren die besten Voraussetzungen. Optische BOD-Distanzsensoren nach dem Triangulationsverfahren eignen sich hauptsächlich für Applikationen im i~ Bereich von 200 bis 2000 mm. Verschmutzungen oder Abschattungen können jedoch die Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Hier sind die extrem robusten magnetostriktiven BTL-Wegaufnehmer eine Alternative, die es für Erfassungsbereiche von etwa 50 bis nahezu 4.000 Millimeter gibt. Allerdings ist bei diesen Aufnehmern die Totzone prinzipbedingt relativ lang, was sich bei kleinen Erfassungsbereichen unter etwa 200 Millimetern negativ auf die Baugröße auswirkt. Bei Meßbereichen zwischen 20 bis etwa 200 Millimeter gab es deshalb bis vor kurzem kaum eine berührungslos und kontaktlos arbeitende Alternative zum prinzipbedingt verschleißbehafteten Potentiometer.

Diese Lücke schließen die magneto-induktiven BIL-Wegaufnehmer, deren idealer Erfassungsbereich genau zwischen 20 und etwa 200 Millimeter liegt. Die robusten Sensoren liefern ein absolutes, wegproportionales, kontinuierliches Ausgangssignal und lassen sich dank ihrer geringen Abmessungen gut in die Applikation integrieren. Bei einem Meßbereich von 60 Millimetern beispielsweise mißt der Sensor 95 x 15 x 15 Millimeter (L x B x H), das heißt: Das Verhältnis Meßbereich zu Baugröße beträgt etwa 2:3. Dabei ist die komplette Auswerteelektronik bereits integriert. Am Ausgang steht der Meßwert als genormtes Strom- und Spannungssignal von 4...20 mA beziehungsweise 0...10 V zur Verfügung, läßt sich also problemlos weiterverarbeiten. Möglich war eine solch hohe Integrationsdichte allerdings nur, weil Balluff sein umfassendes Know-how und die lange Praxiserfahrung aus dem Bereich der induktiven Sensorik einbringen konnte. Innerhalb kurzer Zeit wurde aus einer Idee ein serienreifes Produkt entwickelt.

Das magneto-induktive BIL-Meßprinzip
Grundsätzlich besteht das Meßsystem aus dem Sensor mit Sensorelement und integrierter Auswerteelektronik sowie einem permanentmagnetischen Positionsgeber. Das Sensorelement ist eine Platine, deren Leiterbahnen eine planare Spule bilden, die von einer Wechselspannung gespeist wird. Ein flacher Kern aus weichmagnetischem Material erhöht die Induktivität der Spule.

Befindet sich der permanentmagnetische Positionsgeber über der Spule, bringt sein Magnetfeld den Kern an dieser Stelle in die Sättigung. Die Induktivität der Spulenanordnung verringert sich. Um diesen magneto-induktiven Effekt für die Wegmessung zu nutzen, muß in die Spule eine Ortsabhängigkeit eingebaut werden, zum Beispiel durch variierende Spulenbreite entlang der Meßstrecke. Breite Bereiche tragen dann wegen der größeren durchfluteten Fläche stärker zur Gesamtinduktivität bei als schmalere. Eine lokale Sättigung des Kerns führt dadurch je nach Position zu unterschiedlichen Änderungen der Gesamtinduktivität. Über die Spulentopologie läßt sich die Wegabhängigkeit der Induktivität so kontrollieren, daß im Zusammenspiel mit der Auswerteelektronik eine nahezu lineare Kennlinie des Sensors entsteht.

Zur Auswertung der Induktivitätsänderung wird ein patentiertes Verfahren verwendet. Die Sensorspule ist darin die Induktivität einer Oszillatorschaltung. Diese liefert an ihrem Ausgang ein Signal, dessen Amplitude von der Induktivität der Spule abhängt. Der Präzisionsgleichrichter im Interfaceblock ermittelt diese Amplitude. Das so gewonnene Rohsignal durchläuft zwei einstellbare Verstärker für die Null- und Endpunkt-Justierung und wird anschließend in der Endstufe in ein genormtes Strom- und Spannungssignal umgesetzt.

Prädestiniert für viele Positionieraufgaben im industriellen Bereich
Das Resultat ist ein Wegsensor, der sich für zahlreiche Applikationen eignet. Mit einem Linearitätsfehler von weniger als ± 1 Prozent und einer Reproduzierbarkeit von besser als 0,1 Millimeter ist er für viele Positionieraufgaben die Lösung mit dem besten Kosten/Nutzenverhältnis. Dabei arbeitet er bei Geschwindigkeiten bis etwa fünf Meter pro Sekunde ohne nennenswerten Schleppfehler, das heißt, er eignet sich auch für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Dynamik. Die Sensorform kann auch an die Applikation angepaßt werden. Typische Anwendungen für magneto-induktive BIL-Wegaufnehmer finden sich im Handling- und Robotikbereich, in der Förder- und Gebäudetechnik sowie beim Messen von Dosier- und Durchflußmengen.

Durch seinen kompakten mechanischen Aufbau läßt sich der Sensor komplett vergießen, so daß die Anforderungen der Schutzart IP67 problemlos erfüllt werden können. Dadurch ist der Einsatz auch in harten Umgebungsbedingungen möglich. Dabei bietet das System ein Höchstmaß an Flexibilität. In der Standardversion läßt sich der quaderförmige Sensor mit zwei Schrauben sehr einfach befestigen. Für den elektrischen Anschluß ist ein Standardsteckverbinder vorgesehen. Der Permanentmagnet, der als Positionsgeber eingesetzt wird, ist in ein ebenfalls gut montierbares Kunststoffgehäuse integriert. Der Sensor kann aber auch mit anderen Magnetformen arbeiten.

Bei Spannzylindern wird beispielsweise ein Magnetband als Positionsgeber in das rotierende Teil integriert, um seine Axialbewegung zu erfassen. Anders als beim Einsatz von Endschaltern erkennt man dadurch auch Zwischenpositionen. Auch in der Applikation bereits vorhandene Magnete lassen sich nutzen. Da magneto-induktive BIL-Sensoren durch nichtferromagnetische Materialien „hindurchsehen“ können, eignen sie sich hervorragend für den Einsatz an Pneumatikzylindem. Selbst beim Sensorelement ist die Form variabel und auch hier sind applikationsspezifische Ausformungen denkbar, wodurch sich teilweise ganz neue Lösungsansätze ergeben, etwa für Winkelmessungen.

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