09.07.2015

Hohe Linearität

In der Überwachung mechanischer Größen kommen vorwiegend resistive Sensoren wie Potentiometer oder Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische oder optische Sensoren, Magnetstreifen und Hall-Sensoren zum Einsatz. Durch die zunehmende Komplexität einzelner Produktionsschritte steigen auch die Vorgaben bzgl. Auswertungszeiten, Kompatibilität mit intelligent vernetzten Systemen sowie Präzision und Auflösung. Die Lösung sind Sensoren auf Basis eines speziellen optoelektronischen Messprinzips.

Autor: Vlad Lata, CTO, Konux GmbH


Bild 1: Optoelektronisches Messprinzip: LEDs werfen Licht auf eine Photodiode. Ein Konverter reagiert auf eine physikalische Eingangskraft und verschiebt sich, wobei die Bewegung des Konverters proportional zum generierten Photostrom ist.
Bild: Konux GmbH

Die optoelektronische Messtechnologie ist eine Weiterentwicklung optischer Sensorik und beruht auf der Umwandlung optischer Informationen in elektrisch auswertbare Signale. Als Ausgangssignal dienen Leuchtdiodenchtdioden (LEDs). Diese werfen das Licht auf eine Photodiode, die es in einen Photostrom umwandelt. Zwischen der Lichtquelle und dem Empfänger befindet sich ein Konverter, der auf eine physikalische Eingangskraft reagiert und sich dementsprechend verschiebt. Die Bewegung des patentierten Konverters bewirkt eine Veränderung der Lichtmenge, die wiederum zu einem modifizierten elektronischen Signal durch die Photodiode führt (Bild 1). Die Bewegung des Konverters ist somit proportional zum generierten Photostrom. Durch das Messprinzip können bereits kleinste Veränderungen in der zu messenden Kraft erfasst und in einem präzisen Ausgangssignal angezeigt werden. Sowohl die Ermittlung als auch die Verarbeitung des Signals findet direkt im Sensorgehäuse statt, wodurch keine aufwendige Auswertungssoftware benötigt wird. Die Linearität der Messergebnisse optoelektronischer Sensoren wurde in Kooperation mit der Q-Direct GmbH am Beispiel eines Drehmomentsensors getestet. Der Test erfolgte in Reihen mit zwei unterschiedlichen Messbereichen nach Vorgaben der VDI/VDE 2648. Die Messreihen bis 3,5Nm ergaben für die Linearität ein Bestimmtheitsmaß von R²=0,998 für die Aufwärts- und von R²=0,9997 für die Abwärtsreihe. Für die Messreihe bis 8Nm ergab sich eine Linearität von R²=0,9959 (Bild 2).

Optoelektronische Drehmomentsensoren

Mithilfe des optoelektronischen Messprinzips lässt sich eine Vielzahl mechanischer Messgrößen wie Druck, Kraft oder Durchfluss bestimmen. Auch in der Drehmomentmessung werden optoelektronische Sensoren eingesetzt. Die optoelektronische Messung des Drehmoments basiert auf zwei Konvertern in Scheibenform, die auf der Welle angebracht werden. Beim Anlegen eines Drehmoments verdreht sich die Welle und die beiden Konverterscheiben verschieben sich zueinander. Diese Torsion wird durch zwei Winkel gemessen und ist direkt proportional zum angelegten Drehmoment. Anders als bei vergleichbaren Verfahren ist die Messelektronik direkt am Gehäuse befestigt. Die Messwelle ist vollständig symmetrisch und die Messung erfolgt berührungslos. Durch eine integrierte Winkelmessung kann die absolute Position der Welle zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden. Anlagenbetreiber profitieren bei der Überwachung der Produktion von dem durchweg robusten und präzisen Signal optoelektronischer Drehmomentsensoren. Selbst im niedrigen Drehmomentbereich weist das Ausgangssignal ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Durch Auswertungszeiten im zweistelligen Mikrosekundenbereich und eine Genauigkeitsklasse von bis zu 0,01% eignen sich die Sensoren für Steuerprozesse der Echtzeitklasse 3. Sie können somit in anspruchsvollen Anwendungen wie Collaborative Robots eingesetzt werden, die auf intelligente Sensorik und die sofortige Detektion und Vermeidung drohender Kollisionen zwischen oder mit Robotern angewiesen sind.

Intelligente Eigenkalibrierung

Die optoelektronische Sensoren werden auf Basis von industriellem Ethernet gezielt für den Einsatz in intelligent vernetzten Systemen entwickelt und sind in der Lage, automatisch und in Echtzeit über ein Netzwerk zu kommunizieren. Sie sind zudem als Lösungen mit drahtloser Übertragung erhältlich. Dank intelligenter Eigenkalibrierung passen sie sich während des laufenden Betriebs an veränderte Bedingungen an, wodurch eine maximale Kapazitätsauslastung des Equipments gewährleistet wird. Das optoelektronische Messprinzip ermöglicht zudem eine mechanische Speicherung des Signals bei Ausfall der Versorgungsspannung oder Maschinenstillstand. Im Gegensatz zu optischer Messtechnik sind optoelektronische Sensoren nicht staub- oder schmutzempfindlich. Das kontaktlose Messprinzip, komplette galvanische Trennung und widerstandsfähige Elektronikkomponenten machen sie zudem zu einer guten Alternative für Anwendungen, in denen elektromagnetische Störungen, Feuchtigkeit oder hohe Temperaturen auftreten.

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