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12-2019

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Sensoren Positions- und

Sensoren Positions- und Geschwindigkeitssensor-Typen Übersicht Sensoren Autor: Simon Ziegler, Junior Product Manager ZF Friedrichshafen AG www.zf.com Ohne Sensortechnologie geht nichts. Jede moderne und smarte Technologie ist auf eine präzise Sensortechnologie angewiesen – ob optische Sensoren, Druck-, Positions-, Geschwindigkeits-, Temperatur- oder Beschleunigungssensoren. Sie können verschiedenste chemische und physikalische Eigenschaften der Umgebung oder eines Zielobjektes wahrnehmen. Anhand dieser Wahrnehmung agieren Maschinen autonom, sodass die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Sensoren eine tragende Rolle für die Funktionssicherheit spielen. Ziel dieses Artikels ist es, ein allgemeines Verständnis der Positionsund Geschwindigkeitssensoren zu vermitteln und ihre zugrunde liegenden Stärken und Schwächen aufzuzeigen. Jeder Sensor ist für ein bestimmtes Anwendungsgebiet geeignet. Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Sensorprinzipien zur Positions- und Geschwindigkeitsmessung ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Technische Spezifikationen von Positions- und Geschwindigkeitssensoren Aufgrund der Fülle an Sensortypen und -versionen ist die größte Herausforderung, den richtigen Sensor für eine bestimmte Applikation auszuwählen. In einem ersten Schritt müssen Ingenieure alle relevanten Anforderungen definieren, die der Sensor erfüllen muss. Der Sensor muss ideal zur Anwendung passen. Überspezifikation verursacht höhere Kosten als notwendig, Unterspezifikation führt zu einem erhöhten Risiko eines Systemausfalls. Im Allgemeinen können die Sensorspezifikationen in Sensor-Typ, elektrische und mechanische Eigenschaften sowie deren Betriebsbedingungen unterteilt werden. Anhand dieser Kriterien kann die Eignung von Sensoren für eine bestimmte Anwendung festgestellt werden und auch Vor- und Nachteile der Technologie abgeleitet werden. Im folgenden Abschnitt werden einige wichtige Sensorspezifikationen mit Erläuterungen und Beispielen vorgestellt. Sensor Typ • Messungsart: Inkremental oder absolut • Sensor Prinzip: Optisch, magnetisch (Hall, Induktiv), elektro mechanisch Elektrische Spezifikation • Auflösung: Die kleinste Änderung die gemessen werden kann • Wiederholbarkeit: Die Stabilität eines Sensors von wiederholenden Messungen beginnend von demselben Ausgangspunkt • Genauigkeit: Die Varianz zwischen dem Mess-Ergebnis zum tatsächlichen Wert • Art des elektrischen Ausgangssignals: Analog/digital, seriell/ parallel • Elektrische Versorgungs- und Ausgangsspannung Mechanische Spezifikation • Geometrie: Dimensionen, Form, linear, radial • Skalierbarkeit: z. B. 360° Winkel-, 500 mm Weg-, 20 kHz Frequenzmessung • Mechanische Schnittstellen: Konnektor-Optionen, mechanische Fixierungspunkte • Luftspalt (kontaktlose Sensoren): z. B. 0,4 – 2,2 mm Betriebsbedingungen • Betriebstemperatur • Umgebungsfaktoren: z. B. Staub/ Partikel, Feuchtigkeit, Vibration/ Erschütterung, Klima • Schutzklassen: z. B. IP, ESD- Anfälligkeit, Kurzschlussfestigkeit Vergleich ausgewählter Positions- und Geschwindigkeitssensoren Die Hauptaufgabe von Positionssensoren ist die Erfassung von Winkel- oder Wegverschiebungen, Abständen, Lücken, Ausdehnungen und Füllständen. Der Potentiometer als elektromechanischer Sensor ist der bekannteste, aber auch älteste Sensortyp. Erfunden wurde dieser von dem deutschen Physiker Johann Christian Poggendorff im Jahr 1841. Heutzutage gibt es eine Vielzahl verschiedener Versionen und Typen des Potentiometers. Die Hersteller haben den elektromechanischen Sensor im Laufe der Zeit kontinuierlich optimiert, um die strengen Anforderungen für neue Anwendungsbereiche zu erfüllen. Darüber hinaus eroberten berührungslose Sensoren mit der Zeit den Markt, da sie im Vergleich zum elektromechanischen Potentiometer bestimmte Vorteile aufweisen. Diese 18 PC & Industrie 12/2019

Sensoren Hall basierter Sensor werden in den folgenden Abschnitten dargestellt. Geschwindigkeitssensoren, auch bekannt als Frequenzsensoren, messen die zurückgelegte Strecke oder den zurückgelegten Winkel pro Zeiteinheit. Ein Hauptanwendungsgebiet ist die Drehzahlregelung und -überwachung von Asynchron-Antriebssystemen, die in verschiedenen Branchen wie Straßenund Geländefahrzeugen, im Energiesektor, in der Medizintechnik aber auch in der Automatisierungstechnik und Maschinenbau eingesetzt werden. In diesem Bereich haben sich die berührungslosen Sensoren aufgrund des verschleißfreien Betriebs und der daraus resultierenden langen Lebensdauer auf dem Markt durchgesetzt. Im folgenden Abschnitt werden das Funktionsprinzip, die Anwendungsgebiete sowie die Stärken und Schwächen ausgewählter Positionsund Geschwindigkeitssensoren vorgestellt und verglichen. Potentiometer Prinzip Potentiometer verwenden ein Widerstandselement in Form eines mechanischen Schleifkontakts zum Messen von linearen oder radialen Verschiebungen. Der sogenannte Schleifer ist immer in Kontakt mit einem Widerstandsband. Das Ausmaß des Widerstands ändert sich entsprechend der Bewegung des Schleifers. Zusätzlich zum mechanischen Teil benötigt jedes Potentiometer eine externe Stromquelle, damit die mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Die Ausgangsspannung ist abhängig vom Widerstandsmaß und damit vom Drehwinkel oder der zurückgelegten Strecke. Der Messbereich, das Ausgangssignal und die elektrischen Anschlüsse sind modifizierbar und sind bei zahlreichen Herstellern elektronischer Komponenten verfügbar. Potentiometer geben absolute Messwerte aus im Vergleich zu Inkrementalsensoren. Das Messsystem der Inkrementalsensoren basiert auf sich wiederholende und periodische Abstufungen. Stärken • Kostengünstig (unter einem Euro, hochgenaue Ausführungen bis zu 200 Euro) • Flexibilität in der Installation und in der Spezifikation • Keine elektronischen Komponenten innerhalb des Sensors integriert • Schnelle Prototypen-Erstellung • Hohe Verfügbarkeit • Hochauflösende Messung (Wahrhaftigkeit des Messergebnisses besser 1 %) • Redundante Ausgangssignale für erhöhte Funktionssicherheit • Betriebstemperatur bis zu 250 °C • Messung von großen Veränderungen (bis zu 360°; 1.500 mm) Schwächen • Anfällig gegenüber Reibung besonders in Umgebungen mit Vibrationen (z. B. Straßen- und Luftfahrzeuge, Werksanlagen) • Anfällig gegenüber Fremdpartikel wie Staub und Sand, die den Abrieb des Schiebereglers beschleunigen (Lebensdauer wird drastisch verkürzt) • Ungeeignet für den Betrieb in Flüssigkeiten • Ungeeignet bei Anwendungen unter hohen Beschleunigungskräften (Schleifer hebt ab) • Digitaler Konverter notwendig (erhöht Gesamtkosten) • Miniaturisierung ist begrenzt und beeinflusst Messbereich Anwendungsfelder Potentiometer eignen sich im Allgemeinen eher für Anwendungen mit geringen Arbeitszyklen und günstigen Umgebungsbedingungen. Die Anforderungen an den Sensor sollten aufgrund des Verschleißes und der Reibung des mechanischen Schleifers nicht zu anspruchsvoll sein. Da Potentiometer in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen vorkommen, günstig im Vergleich zu anderen Sensorarten sind und zudem weit verbreitet sind, kann man sie in nahezu jeder Branche finden. Induktive Encoder Prinzip Der induktive Encoder, auch bekannt als Incoder ist ein berührungsloser Sensor der sowohl für die Geschwindigkeits- als auch für die Positionserkennung eingesetzt wird. Somit erkennt der Sensor lineare und radiale Verschiebungen. Basierend auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion misst der Sensor beispielsweise bei Motoren die Position eines Rotors relativ zu einem Stator. Der Hauptbestandteil dieser Sensortechnologie ist die Spule bei traditionellen Incodern oder gedruckte Schaltungen auf Substraten bei Incodern der neuen Generation. Wenn sich ein Ziel objekt aus Metall dem Incoder nähert, tritt eine Änderung des Magnetfelds auf. Basierend auf dem Induktionsgesetz erzeugt der Sensor eine Spannung zwischen dem bipolaren Ausgang, die sich proportional zur zeitlichen Änderung des Magnetflusses verhält. Dies löst einen Stromfluss aus, der durch die Spule und den angeschlossenen Drähten zum Aus gabegerät fließt. Der Erfassungs bereich hängt von der Art des Ziel materials ab. Eisen metalle können auf größere Entfernung Signale auslösen im Gegensatz zu Nicht eisenmetallen. Die Elektronik kann außerhalb des Sensors und Erfassungsbereichs platziert werden, sodass der Incoder in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann. Stärken • Sicherer und zuverlässiger Betrieb auch unter rauen Bedingungen • Kontaktlos und frei von Verschleiß • Verschiedenste Geometrien verfügbar und einsetzbar für 2D oder 3D Positionserkennung • Für große und kleine Messbereiche • Einsatzbereich bis zu 150 °C • Hohe Genauigkeit (basierend auf einem Messbereich von 360° bis zu 0,09°) • Neue Generation: Mehrere Ebenen dünner Sensoren für redundante Signale • Hohe EMV-Resistenz • Elektronische Komponenten können außerhalb des Messbereichs platziert werden, kein Schutz notwendig Schwächen • Traditionelle Incoder: Baugröße aufgrund der Spule, keine redundante Messung möglich • Neue Generation: Kostenfaktor • Ungeeignet für geringe Geschwindigkeitsmessungen (Ausgangssignal abhängig von Frequenz) • Anfällig gegenüber Luftspalt- Schwankungen Anwendungsfelder • Überwachung und Kontrolle von Anwendungen mit hohem Maß an Sicherheitsanforderung (Maschinenbau, Anlagenbau, Straßen und Geländefahrzeuge) • Induktiver Motor Tachometer (z. B. in Kurbelwellen) • Motor und Rad Geschwindigkeitssensor, Dieseleinspritzpumpen, Nockenwellen Sensor PC & Industrie 12/2019 19

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel