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Messen & Erkennen

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Welchen nehme ich denn?

Text: Bernd Jödden, A.B. Jödden Fotos: Milan Lipowski, A.B. Jödden
Wie schön wäre der eierlegende Wollmilchsensor. Doch sind wir mal ehrlich: Niemand fährt mit einem Maserati zum Supermarkt oder mit einem Smart zur Oper. So wie es für jede Situation den passenden Wagen gibt, gibt es auch für jede Messaufgabe den passenden Sensor.

Induktive Wegaufnehmer setzen die lineare Bewegung eines gekoppelten Objekts in ein proportionales elektrisches Signal um und erfassen so Messwege von wenigen Mikrometern bis mehreren Metern.

Die typische Ausführung eines induktiven Wegaufnehmers besteht aus einem hohlen Spulenkörper mit streng symmetrisch gewickelten Spulen, einer magnetischen Abschirmung mit hoher Permeabilität sowie einem runden und rostfreien Stahlgehäuse. Die Räume zwischen Spule und Gehäuse werden komplett mit aushärtendem Kunststoff vergossen.

Unendliche Auflösung

Durch den Spulenkörper bewegt sich ein Stößel mit Nickel-/Eisenlegierung und verändert die Induktivität der beiden Spulenhälften gegensinnig. Die Bohrung des Spulenkörpers und der Durchmesser des Stößels sind so gewählt, dass eine berührungslose, verschleißfreie Bewegung erfolgt.

Auf Grund der unendlichen Auflösung können kleinste Wegänderungen des Stößels gemessen werden, nur begrenzt durch das Rauschen der angeschlossenen Elektronik. Eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit ermöglichen den Einsatz bei sensiblen Anwendungen wie Satellitentechnik, Flugzeugen oder in der Industrieautomation.

Der frei bewegliche Stößel hat keinen Anschlag und kann aus dem Wegaufnehmer herausgezogen werden. Bei auftretenden Überhüben wird der Wegaufnehmer nicht zerstört. Nur axiale Bewegungen des Stößels führen zu einer Induktivitätsänderung. Radiale Bewegungen zur Messrichtung werden nicht mit erfasst, so können zum Beispiel Hebelbewegungen gemessen werden.

Messen mit Fahne

Da der zu messende Weg durch die Baulänge der Sensoren begrenzt ist, werden nur Aufgaben mit kleinen Wegabschnitten von Wegaufnehmern mit Messfahnen und -wegen bis 20 mm gelöst. Speziell für solche Fälle entwickelte A.B. Jödden die Baureihe SM48 nach dem Prinzip des symmetrischen Differentialtransformators für den Anschluss an Elektronikmodule.

Die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung wird durch ein bewegliches Kupferblech, die Messfahne, verändert. Primär- und Sekundärspule liegen sich, durch einen Spalt getrennt, gegenüber. In diesem Spalt ist die Messfahne frei beweglich. Die integrierte Elektronik wandelt den Weg der 1 mm dicken Messfahne durch den 2,5 mm breiten Spalt in ein proportional analog normiertes Ausgangssignal 0(4) bis 20 mA oder ±10 VDC um.

Für Messpausen kann die Fahne an beiden Seiten aus dem Spalt heraus geführt werden. Sobald sie in den Spalt zurückgeführt wird, ist der Wegaufnehmer wieder messbereit. Messfahnen und Wegaufnehmer sind untereinander austauschbar, sodass man bei zum Beispiel bei einer exakten Positionierung des Drehtisches einer Fräsmaschine mehrere Messfahnen mit einem Aufnehmer oder auch miteinander kombiniert betreiben kann.

Integrierte Elektronik

Bei manchen Anwendungen sollen Einstellungen prozentual exakt erfasst werden, was einem Ausgangssignal von 4 bis 20 mA entspricht. Dafür hat A.B. Jödden den programmierbaren induktiven Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik entwickelt. Der analoge Messwert wird hier mit einem 16bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte erfolgt mit den in einem EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen.

Die Wegaufnehmer lassen sich mittels Teach-In-Verfahren einfach programmieren. Stellt man den Wegaufnehmer auf den Anfangspunkt und verbindet einen Kontakt am Stecker- oder Kabelausgang für mindestens zwei Sekunden mit der Betriebsspannung, stellt sich das Ausgangssignal den Anfangswert ein. Die erfolgreiche Programmierung wird durch einen kurzzeitigen Wechsel des Ausgangssignals auf Mittelstellung signalisiert. In der gleichen Weise wird der Endwert eingestellt.

Dadurch kann man unterschiedliche Messwege mit nur einem Sensor darstellen. Ein Wegaufnehmer mit nominal 150 mm Messweg kann Wege von minimal 0 bis 26 mm bis maximal 0 bis 160 mm in ein analoges normiertes Ausgangssignal von 0 bis 10 VDC umsetzen.

Die vergossene Bauweise in einem 25 mm dicken Edelstahlgehäuse ermöglicht einen Einsatz bei Schockbelastungen bis 250 g SRS (20 bis 2000 Hz) und Vibrationsbelastun-gen bis 20 g rms (50 g Spitze). Außerdem verfügt der Sensor über einen zulässigen Betriebsspannungsbereich zwischen 10 und 32 VDC und eine Genauigkeit von 0,1 Prozent.

Speise- und Auswertemodule

Für andere Anwendungen werden noch speziellere Wegsensoren gefordert. Da wären zum Beispiel die induktiven Taster der Modellreihe SM223 zu nennen, mit ihrer vorgespannten, handgeläppten linearen Kugelführung. Wie bei den meisten Wegsensoren bieten auch die Feintaster eine lange Lebensdauer durch ihre verschleißarme und wartungsfreie Bauart. Mit ihrem geringen Außendurchmesser von nur 8 mm können selbst bei geringem Platz mehrere Taster nebeneinander angeordnet werden. Durch die auswechselbaren Messeinsätze werden die Taster an die jeweilige Messaufgabe an-gepasst.

Die Taster arbeiten nach dem Prinzip der induktiven Halbbrücke. Dabei wird ein NiFe-Kern durch den hohlen Spulenkörper geführt. Die Position des Kerns erzeugt eine gegensinnige Induktivitätsveränderung der beiden in Reihe geschalteten Spulen. Ihre Auswerteelektronik versorgt die Taster mit einer konstanten Wechselspannung von 10 kHz. Dies ermöglicht dynamisches Messen. Das Messsignal wird phasenrichtig demoduliert, verstärkt und als normiertes Ausgangssignal zur Weiterverarbeitung ausgegeben. Neben der standardmäßig eingestellten Grenzfrequenz von 800 Hz, ist der Sensor auch auf 4 kHz erhöhbar.

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