Analoge Sensoren zur vielfältigen Weg- und Winkelmessung

In den letzten Jahren ist der Bedarf an Sensoren zur Erfassung von geometrischen Größen in allen Bereichen industrieller Anwendungen stark angestiegen. Die optimale Lösung für jeden Bedarfsfall benötigt einen angepassten Sensor, der nach den Kriterien Messbereich, Auflösung, Genauigkeit, Bauform und Umgebungsbedingungen ausgewählt werden kann. A. B. Jödden hat für alle Einsatzfälle passende analoge Sensoren – von induktiv bis kapazitiv, in Miniatur- und Atex-Ausführung.

Inhalt

• Aufbau und Funktion induktiver Wegaufnehmer
  • Induktive Sensoren in Kraftwerken
• Induktive Miniaturwegsensoren mit integrierter Elektronik
• Mit Atex-Zulassung für den Ex-Bereich
• Neigungs-, Beschleunigungs- und Vibrationssensoren

Aufbau und Funktion induktiver Wegaufnehmer

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

Durch den Spulenkörper bewegt sich der Stößel einer 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 erfolgen kann.

Die kontaktlose Messung ist ein großer Vorteil der induktiven Wegaufnehmer und ermöglicht somit Einsätze unter anderem in Maschinen zur Materialprüfung und auf Vibrationsprüftischen. Auf Grund der unendlichen Auflösung können kleinste Wegänderungen des Stößels gemessen werden, die nur durch das Rauschen der angeschlossenen Elektronik begrenzt sind. Die nahezu unbegrenzte Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit ermöglichen den Einsatz bei sensiblen Anwendungen wie in Satellitentechnik, Flugzeugen oder 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 miterfasst, so dass beispielsweise Hebelbewegungen gemessen werden können.

Induktive Sensoren in Kraftwerken

Zur Erfassung von Stellungen in Hochdruck-Dampf-Bypassventilen und Wassereinspritzventilen an Dampfturbinen in Kraftwerken werden induktive Wegaufnehmer eingesetzt. Es besteht die Forderung, die Ventilstellung zwischen 0 und 100 % (entspricht 4 bis 20 mA Ausgangs-Signal) exakt zu erfassen. Um die mechanischen Toleranzen der Ventile auszugleichen, müssen Anfangs- und Endwert der Wegaufnehmer einstellbar sein. Die Montage und Justierung der Wegaufnehmer soll einfach und zuverlässig erfolgen.

Diese Forderungen erfüllen die programmierbaren induktiven Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik. Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers wird mit einem 16-Bit A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte erfolgt mit den in einem Eeprom abgelegten Genauigkeitsabweichungen. Die digitale Information wird mit einem 16 bit D/A-Wandler in normierte Ausgangs-Signale 0 (4) bis 20 mA oder 0 bis 5 (10) V umgeformt. Den für die Anwendung benötigten Messweg kann der Anwender programmieren.

Der Wegaufnehmer wird auf den gewünschten Anfangspunkt gestellt und ein Kontakt wird am Stecker- oder Kabelausgang für mindestens 2 s mit der Betriebsspannung verbunden. Dadurch stellt sich das Ausgangssignal auf den Anfangswert ein. In der gleichen Weise erfolgt die Endwerteinstellung.

Die erfolgreiche Programmierung wird durch kurzzeitigen Wechsel des Ausgangs-Signals auf Mittelstellung signalisiert. Durch diese Technik sind unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer darzustellen: Ein Wegaufnehmer mit nominal 150 mm Messweg entsprechend 0 bis 10V_DC Ausgangssignal kann Messwege von minimal 0 bis 26 mm bis maximal 0 bis 160 mm in ein 0 bis 10 V_DC Spannungssignal umsetzen.

Der zulässige Betriebsspannungsbereich zwischen 9 und 32 VDC, die große Genauigkeit von 0,1 % und die verschiedenen Ausgangssignale ermöglichen den Einsatz in vielen Bereichen. Zusätzliche mechanische Anbauten wie Kugelgelenke an Stößel und Gehäuse, Schutzrohre oder Tasterversionen mit Rückholfedern sind lieferbar. Der elektrische Anschluss erfolgt wahlweise über Stecker oder wasserdicht angegossenes Kabel. In dieser Ausführung wird die Schutzart IP68 (Untertauchen) erreicht.

Induktive Miniaturwegsensoren mit integrierter Elektronik

Die induktiven Wegsensoren der Baureihe SM27 haben einen Durchmesser von 10 mm und erfassen Messwege bis 20 mm. Ein integrierter Microcontroller wertet die durch die axiale Verschiebung eines NiFe-Metallkerns hervorgerufene Induktivitätsänderung aus.

Die Betriebsspannungen von 5 oder 24 V_DC und der geringe Betriebsstrom von nur typ. 3 mA ermöglichen den Einsatz auch in mobilen Systemen. Das wegproportionale, analoge Ausgangssignal von 0 bis 4 V_DC kann von vielen Auswerteeinheiten direkt verarbeitet werden. Zudem sind digitale Schnittstellen wie die RS232 oder PWM-Signale möglich.

Auch diese Miniatursensoren in Schutzart IP68 halten extremen Umweltbedingungen wie Ölnebel, Schlamm, Regen und Staub stand und widerstehen Schockbelastungen bis 250 g SRS sowie Vibrationsbelastungen bis 20 g rms.

Mit Atex-Zulassung für den Ex-Bereich

Die induktiven Wegaufnehmer der Serie SM20 und SM26 sind in einem druckfest gekapselten Gehäuse eingebaut und vergossen. Dieser Aufbau hat die Schutzart IP68, ist für den Einsatz im Ex-Bereich zugelassen und trägt die Kennzeichnung II 2 GD T 80°C EEx d IIC T6. Die Versorgung der Wegaufnehmer mit der erforderlichen Trägerfrequenz und die Signalaufbereitung können durch Standard Elektronikmodule der Serie SM12 erfolgen. Eigensichere Kreise sind durch die Kapselung des Wegaufnehmers nicht erforderlich.

Die Messwege bis 4 mm werden mit einer Genauigkeit von <0,25 %, in den angeschlossenen Elektronikmodulen, in 0(4) bis 20 mA, 0 bis 10 V_DC oder ±10 V_DC umgeformt.

Neigungs-, Beschleunigungs- und Vibrationssensoren

Die kapazitiv messenden Sensoren sind hochgenau (Auflösung bis 0,0004° oder 15 µg) und mechanisch sehr belastbar. Die Sensoren beruhen auf einer weiterentwickelten ‚bulk micromachined‘-MEMS Technologie. Die dreidimensionale Struktur (3D-MEMS) dieser Sensoren beinhaltet ein Pendel aus einkristallinem Silizium. Dieses ist hermetisch zwischen zwei Siliziumplatten eingeschlossen. Daraus resultiert ein langzeitstabiler, hochauflösender und schockfester Sensor. Eine Gasdämpfung im Messelement verhindert ein Überschwingen und störende Resonanzschwingungen. Die Pendelbewegung wird kapazitiv mit einem ASIC gemessen.

Die Messelemente werden in kleine, robuste Metallgehäuse montiert und vergossen. Die Sensoren benötigen bei einem Ausgangssignal von 0,5 bis 4,5 V_DC eine Betriebsspannung von 5 V_DC oder 7 bis 35 V_DC und können bei Temperatur-Umgebung zwischen -40° und +100 °C eingesetzt werden.

Abstandssensor mit schneller Time-of-flight Messmethode

Typische Anwendungsbeispiele für diese Sensoren sind Tilt-Anwendungen wie Neigungsgrenzwertgeber, Nivellierung von Maschinen, Apparaturen und Messgeräten, automatische Nivellierung von Auslegern, Baggerschaufeln, Plattformen. Bei der Neigungs- und Winkelmessung kommen sie in Neigungsmesswertgebern für Messgeräte (Laserdistanzmessgeräte), Fahrzeugen, Eisenbahnwaggons, Operationstischen, Bau- und Produktionsmaschinen zum Einsatz.

Für Beschleunigungsmessungen dienen sie Sensoren als Aufprall-Überwachung an Eisenbahnwaggons, zu Schock- und Crash-Monitoring, Bewegungserfassung für die Fitnessanalyse oder bei Senioren-Alarmsystemen, Freifallerkennung und in Automotive-Anwendungen wie für ESP- und ABS-Systeme. Vibrationsmessungen sind für die Lagerschadenfrüherkennung, Diebstahlsicherung oder Erdbebensicherheitsabschaltung möglich, um nur einige zu nennen