Messen linearer Positionen: Berührungsloses Sensorsystem

Als NCTE den Aufbau des Drehmomentsensors verbessert hat, um die Drehmomentmesswelle eines berührungslosen Sensorsystems unempflindlich gegenüber axialen Bewegungen zu gestalten, hat die Firma NCTE neben der Kompensation axialer Bewegungen unbeabsichtigt eine berührungslose Positionssensortechnologie entwickelt. Sie ist in der Lage, Bewegungen von 1mm oder weniger (mit einer Auflösung von 1µm) bis hin zu 1m und mehr (mit einer Auflösung von 40µm) linear und absolut zu messen. Die erste Sensorlösung für lineare Positionen von NCTE überwachte die Bewegungen (in einem Bereich von 20mm bis 40mm) von Bohrwellen, Druckluftventilen, hand-betriebenen Schaltern und Näherungsschaltern. Die Sensorlösung wird als SR (für Short Range = kurzer Messbereich) bezeichnet. Schon kurz nachdem die ersten SR-Linearsensorprodukte versendet wurden, fragten die Kunden, ob die Technologie auch für größere Messbereiche angewendet werden kann, z.B. bei Kolben von Druckluftzylindern oder in der Hubhydraulik. Grundmessprinzip Das Grundmessprinzip des SR-Positionssensors beruht auf einer permanenten magnetischen Kodierung des Messobjektes, dessen Bewegungen überwacht und gemessen werden sollen. Nahezu jede Bauform kann dauerhaft mit einem patentierten Magnetisierungsprozess kodiert werden, solange ferromagnetisches Material verwendet wird. Viele Standardindustriestähle erfüllen diese Anforderungen. Der Kodierungsprozess dauert weniger als 30s (abhängig von der Objektgröße) und muss nicht erneuert werden. Es gibt keine speziellen Anforderungen an die Beschaffenheit der Metalloberfläche (d.h. sie kann z.B. lackiert oder mit Öl bedeckt sein). Begrenzter Messbereich Der Messbereich der SR-Sensorkodierung wurde absichtlich auf 25mm begrenzt, um eine möglichst hohe Signalauflösung (besser als 0,05% der Gesamtbreite) und eine gute Gleichtaktunterdrückung zu gewährleisten. Der Aufbau der dauerhaften magnetischen Kodierung kann über den gesamten Umfang der Wellen (über den 25mm axialen Messbereich) aufgebracht werden oder sich auf einen Teil des Umfangs (Segment) beschränken. Als die Anforderungen an den Messbereich auf mehr als 25mm gestiegen sind, entschieden sich die Ingenieure, ein SR-Messelement nach dem anderen auf dem ausgewählten Objekt zu platzieren, bis der gewünschte Messbereich erreicht ist. Am Beispiel eines Messbereichs von 250mm in einem linearen Messsystem (um die Bewegung des Kolbens eines Druckluftzylinders zu überwachen) wurden zehn SR-Messzellen aufeinander folgend platziert. Die Einheit zur Detektierung der Signale (auch Sekundärsensormodul genannt) kann nun innerhalb der zehn SR-Sensorzellen präzise die aktuelle Position bestimmen. Allerdings kann das Sekundärsensormodul den Unterschied zwischen den zehn identisch aufgebauten magnetisch kodierten SR-Messzellstrukturen nicht ermitteln. Somit ist eine absolute Messung und Positionserkennung laut Spezifikation (Positionserkennung auch nach Power on/off) nicht möglich. Aus diesem Grund wird über den gesamten Messbereich eine zweite magnetisch kodierte Sensorspur angebracht. Wird z.B. die erste SR-Messstrecke auf einer Seite des Umfangs (0-6h) über die gesamte Länge des Messbereichs platziert, so wird die zweite Sensorspur auf der gegenüberliegenden Seite (6-0h) angebracht. Aufgrund der unterschiedlichen Magnetsignalmuster der beiden Sensorspuren kann somit jederzeit und in jedem Zustand die exakte Position berechnet werden. Anordnung der Messzellen Die maximale Länge des linearen Sensorsystems wird durch die erzielbare Signalauflösung bestimmt. Je niedriger der Signal-Rausch-Abstand des Signals ist, desto mehr SR-Sensorzellen können nebeneinander angeordnet werden, da sich die SR-Messzellen deutlich voneinander abgrenzen sollten. Zurzeit können mehr als hundert SR-Messzellen in einem Sensorsystem nebeneinander angeordnet werden. Sie ermöglichen somit die Abdeckung eines Gesamtmessbereichs von 2.500mm. Wenn für die erreichbare Signalauflösung jeder einzelnen Messzelle ein Wert von 10µm verwendet wird, kann ein Messbereich von 2.500mm in einer 18Bit-Signalauflösung erfasst werden. Die Auflösung hängt von der Komplexität der verwendeten Elek-tronik ab. Sekundärmodule benötigen wenig Platz Der Platzbedarf der beiden Sekundärsensormodule beträgt 17,5mm Länge. Die Kosten für die spezifischen Komponenten, die für diese Sensorlösung benötigt werden (Signalerkennungseinheit, SCSP-Elektronik, magnetische Kodierung) hängen von der gewünschten Sensorsystemleistung (einschließlich des absoluten linearen Messbereichs), den umgebungsmäßigen Anforderungen der spezifischen Applikation (d.h. Arbeitstemperaturbereich) und den Herstellungsmengen ab. Betrachtet man bisher bekannte, oft kompliziertere Messtechnologien, so sind die linearen Positionssensorsysteme oft eine gute Lösung. Kasten: Leistungen des Sensorsystems: – Absolute lineare Positionsmessung – Es sind weder mechanische Änderungen am bereits existierenden Messkörper nötig, noch wird etwas auf der Welle angebracht. – Es kann in bestehenden Hydraulik- /Pneumatikzylindern angewendet werden. – Hohe Signalbandbreite von bis zu 29kHz – Unempfindlich gegen Schmutz, Wasser und Öl – Kein Einfluss von Stößen und Vibrationen – Arbeitstemperaturbereich (-50 bis +210°C) – Geringer Stromverbrauch von weniger als 50mA (bei +5V Einzelversorgung) – Hohe Durchlaufleistung bei Massenproduktion und geringe Sensorsystemkomplexität – Serienproduktionstauglich – Geringer Platzbedarf