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Bild: Chompunuth, iStock
Induktive Wegaufnehmer

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Analog im digitalen Zeitalter

Text: Bernd Jödden, a.b.jödden
Auch wenn digitale Technik immer tiefer in die Industrie vordringt, gibt es doch Anwendungen, bei denen analoge Sensoren eine Rolle spielen. Ein Sensor-Hersteller erklärt warum und wie analog und digital künftig zusammenarbeiten werden.

In Zeiten fortschreitender Digitalisierung scheint die Analogtechnik überflüssig zu werden. Aber die Praxis zeigt, dass sie sich erfolgreich gegen die digitale Konkurrenz behaupten kann. Denn so manche Applikation erfordert eine vielfältige, angepasste Lösung mit sicheren und wirtschaftlichen Sensoren. Diese Anforderungen sind analog oft besser zu realisieren; Lösungen können kostengünstig umgesetzt werden und die Verfügbarkeit von Maschinen und Anlagen wird erhöht.

Die Übertragung analoger Signale in industrieller Umgebung kann störanfällig sein. Um Prozessabläufe nicht zu beeinträchtigen, dürfen die Signale nicht durch externe Störungen verfälscht werden. Galvanische Trennverstärker sorgen hier für eine bessere Übertragungsqualität. Hauptursache für Verfälschungen analoger Signale sind Potentialdifferenzen. Je länger die Übertragungsstrecke wird, desto größer wird der Erdwiderstand und es treten Spannungsdifferenzen bis zu 200 V auf. Erdschleifen können bei Signalen mit Massebezug Fehler verursachen, da Teile des Messsignals nicht über die Analogstrecke, sondern auch über Erde übertragen werden. Durch die Trennung der Signale mit Trennverstärkern entstehen keine Erdschleifen.

Grundlage analoger Technik bilden die normierten Signale 0(4)…20 mA, 0…10 VDC oder ± 10 VDC. Die Schnittstelle 4…20 mA ist betriebsbewährt und zukunftssicher. Die Diagnose der robusten Schnittstelle ist mit einfachsten Mitteln möglich. Ein simples Amperemeter genügt, um die Funktion der Stromschnittstelle zu überprüfen. Betrachtet man dagegen die Diagnose der physikalischen Schicht eines Feldbussystems, bekommt man eine große Menge elektrischer Messwerte und Übertragungsdaten, die aufwändig analysiert werden wollen. Mit zunehmend digitaler Technik wird auch die Systemkomplexität deutlich steigen. Diese Betrachtung wirft die Frage auf: Sind Feldgeräte, die in autonomen, dezentralen Regelkreisen eingebunden werden und komplexe Wartungs- und Diagnosedaten austauschen, ohne digitale Kommunikation denkbar? Die Kosten für Bauelemente bei analoger Messwertverarbeitung und die Kalibrierung der Systeme sind heute schon höher als die Kosten leistungsstarker Mikrocontroller, die nicht nur digital übertragen, sondern auch eine Plattform für das Implementieren interessanter, neuer Ideen bieten.

Analog-digitale Wegaufnehmer

In der Wegmesstechnik werden seit Jahren induktive Wegaufnehmer eingesetzt. Die zukünftigen Sensoren werden die Vorteile der digitalen Signalverarbeitung mit der robusten, analogen Signalübertragung verbinden. Das führt dazu, dass bei induktiven Wegaufnehmern der Weg analog erfasst wird, das proportionale Signal analog-digital gewandelt, digital verarbeitet und anschließend wieder als analoges Normsignal ausgegeben wird.

Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differentialdrossel. Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein Nickel-Eisen-(NiFe-)Kern axial bewegt. Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den Spulenhälften, die durch eine integrierte Elektronik in ein wegproportionales, analoges Signal umgewandelt wird. Diese einfache Art der absoluten Wegerfassung ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelementes. Die Spulen werden auf Spulenkörper gewickelt, die den jeweiligen Modellen und Messwegen angepasst sind. Über diese Spulenkörper werden Edelstahl- oder NiFe-Gehäuse montiert. In die verbleibenden Hohlräume wird eine aushärtende Kunststoffvergussmasse eingefüllt. Dieses Verfahren ergibt analoge Sensoren, die im Temperaturbereich zwischen –40 und +125 °C eingesetzt werden können.

Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik

Der verbesserte und zugleich umweltfreundliche Miniaturwegaufnehmer SM34 von a.b.jödden wertet die Induktivitätsänderung aus, die durch axiale Verschiebung eines Mu-Metallkerns (weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierung) hervorgerufen wird. Die Speise- und Auswerteelektronik ist in den nur 10 mm dicken, induktiven Wegaufnehmer der Firma Schreiber Messtechnik integriert. Mit der Betriebsspannung von (12) 24 VDC benötigen diese Sensoren einen geringen Betriebsstrom von gerade einmal 8 mA und liefern normierte Ausgangssignale von 0 bis (5)10 VDC. In der Zweidraht-Ausführung mit 4…20mA-Ausgangssignal kann die Betriebsspannung 9…32 VDC betragen. Mit diesen Parametern sind sie auch in mobilen Systemen einsetzbar.

Ein integrierter Mikrocontroller wertet die axiale Verschiebung des Mu-Metallkerns aus. Das wegproportionale, analoge Ausgangssignal kann von vielen Auswerteeinheiten direkt verarbeitet werden. Die induktiven Wegaufnehmer messen Wege bis zu 20 mm mit hoher Auflösung. Bei den Tasterversionen wird der Stößel über eine Feder in die Ruhestellung gedrückt. Der elektrische Anschluss erfolgt über M12-Stecker oder optional per Flachbandkabel beziehungsweise radiale Kabel. Jede gewünschte Variante, selbst Sonderkonstruktionen werden von a.b.jödden konzipiert. Die vergossene Bauweise in IP68 erlaubt den Einsatz der Sensoren auch bei extremen äußeren Bedingungen.

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