Inhaltsverzeichnis
1. Potenziometrisch, magnetostriktiv oder induktiv
2. Induktives Messprinzip elimiert Nachteile
3. Schockfest bis 200 g
4. Mit 16 Bit Auflösung
5. Easy-Teach für Inbetriebnahme und Montage
6. Induktives Linearwegmesssystem
7. Potenziometrisches Linearwegmesssystem
8. Magnetostriktives Linearwegmesssystem
Das hochdynamische Erfassen von Linearbewegungen über komplette Verfahrwege hinweg ist heute Standard. Sollen dynamische Bewegungen, etwa in Pick-and-Place-Anwendungen ohne große Totzeit erfasst werden, muss die Position der bewegten Einheit jederzeit bekannt sein. Das ist indirekt über Drehgeber am Antrieb oder direkt an der bewegten Achse über Linearwegsensoren möglich. Die unmittelbare Wegerfassung direkt an der Achse ist präzise und schließt Ungenauigkeiten durch Übertragungselemente vom Antrieb zur Achse sowie Spiel aus.
Potenziometrisch, magnetostriktiv oder induktiv
Drei Messprinzipien kommen bei der Erfassung von Linearbewegungen in der Industrieautomatisierung bevorzugt zum Einsatz: Das potenziometrische, das magnetostriktive und seit mittlerweile fast zehn Jahren auch das induktive Messprinzip. Darüber hinaus sind auch magnetisch kodierte oder optische Messsysteme im Einsatz.
Potenziometrische und magnetostriktive Messsysteme sind am weitesten verbreitet. Wie jedes andere haben auch sie ihre Vor- und Nachteile. Potenziometer arbeiten nicht berührungslos. Eine last- und spielfreie Kopplung zwischen Messsystem und bewegter, zu messender Einheit ist zwingend notwendig, um den Verschleiß zu minimieren. Zuviel Druck oder Schläge auf die bewegte Einheit können den Verschleiß des Abgreifers im Inneren der Potenziometer erheblich beschleunigen. Daher ist hier viel mehr Sorgfalt in der Montage gefragt als bei anderen Systemen.
Die mechanische Kopplung des Schleifers auf der Leiterbahn ist zudem problematisch, wenn Stäube oder Kondenswasser in die Geräte eindringen. Dies wird bei Alterung der Sensordichtungen zunehmend wahrscheinlicher und stört dann auch die Messung. Die Kennlinie des Sensors verändert sich anfangs meist unbemerkt.
Magnetostriktive Systeme arbeiten berührungslos und klammern diesen Nachteil aus; hohe Vibrationen und starke Schocks verschlechtern aber auch hier die Linearität, zudem verlieren sie mit zunehmender Messlänge an Dynamik. Denn je weiter ein Messpunkt von der Auswerteeinheit entfernt liegt, desto länger muss man prinzipbedingt auf diesen Messwert warten und die Abtastrate wird geringer. In metallverarbeitenden Industriezweigen ist ein ungeschützter Aufbau nicht zu empfehlen. Es haftet schnell Metallstaub am magnetischen Positionsgeber, der zu Linearitätsabweichungen des Sensors führen kann. Speziell für den geschützten Einbau innerhalb eines Fluidzylinders ist er jedoch die optimale Lösung und wird von Turck als LTX oder LTE für den mobilen Einsatz angeboten.
Induktives Messprinzip elimiert Nachteile
Die neue Generation induktiver Wegmessungslösungen des Herstellers eliminiert die Nachteile potenziometrischer und magnetostriktiver Sensoren und vereint deren Vorteile. Die Li-Sensoren sind annähernd so schnell und hochauflösend wie Potenziometer und dabei wesentlich schockfester als magnetostriktive Systeme. Zudem punkten sie mit einer hohen Magnetfeldunempfindlichkeit, kleiner Linearitätsabweichung und hoher Wiederholgenauigkeit des Messsignals.
Turck ist weltweit der erste Hersteller, der induktive Linearwegsensoren in Längen bis zu 2 m anbietet. Die langen Varianten werden immer wieder von Kunden gefordert, die bislang auf magnetostriktive Systeme zurückgreifen und deren Nachteile in Kauf nehmen mussten. Insbesondere die bei langen Sensoren reduzierte Abtastrate sowie die resultierende Nichtlinearität führten oft zu suboptimalen Lösungen wie extrapolierten Messwerten. Auch Potenziometer waren bei Messlängen über 1 m kaum eine Alternative: Die Herstellung einer so langen präzisen Leiterbahn ist sehr teuer und damit sind auch die Sensoren selbst teuer. Wer es sich jedoch leisten kann, muss mit den mechanischen Nachteilen leben.
Schockfest bis 200 g
Die gesamte Reihe der induktiven Linearwegsensoren Li wurde neben der Messlänge auch in anderen wesentlichen Eigenschaften verbessert. Alle Geräte halten jetzt Schocks bis 200 g und starken Vibrationen Stand. Dabei halten sie auch ihre Linearitätswerte ein. Bei magnetostriktiven Systemen hingegen wellt sich im Moment des Schocks der Wellenleiter im Metallstab. Seine Länge verändert sich indirekt zur Auswerteeinheit und damit geben magnetostriktive Systeme einen verfälschten Messwert aus. Liegt das Schockspektrum auf der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Sensors, ist eine Messung dauerhaft ausgeschlossen.
Zugute kommt den induktiven Li-Sensoren seine elektromechanische Konstruktion. Das System toleriert einen Versatz des Positionsgebers quer und horizontal zum Sensorprofil, ohne dass das Positionssignal abreißt. Gerade beim Einsatz auf vibrierenden Maschinen sichert diese Funktion einen zuverlässigen Messwert – beispielsweise in Signierpressen. Die Abtastrate der Geräte wurde ebenfalls konsequent messlängenunabhängig und durchgängig auf 5 kHz erhöht. Das minimiert Schleppfehler in hochdynamischen Applikationen. Magnetostriktive Systeme können diese Abtastraten messprinzipbedingt ohne Interpolation nicht erreichen, zudem werden diese immer langsamer, je länger die Messstrecke wird. Die prinzipbedingte Torsionswelle, die sich vom Positionsgeber Richtung Auswerteinheit bewegt, ist verglichen mit der Geschwindigkeit des elektrischen Signals schlicht zu langsam.
Mit 16 Bit Auflösung
Außerdem wandeln alle Li-Sensoren ihr Signal mit 16 Bit Auflösung in das entsprechende digitale Ausgangssignal um und liefern analoge Werte von 4…20 mA und 0…10 V. Mit den Geräten führt Turck zudem einen Fehlerdiagnosewert ein. Erkennt das Gerät seinen Positionsgeber nicht, wird das Ausgangsignal auf 22 mA beziehungsweise auf 11 V gesetzt. Gerade zur Online-Diagnose des Sensors oder zur Erkennung von mechanischen Defekten an der Maschine ist diese Funktion nützlich. Die Li-Geräte sind zunächst als analoge Variante mit kombiniertem Spannungs-/Stromausgang erhältlich. Beide Werte gibt das Gerät im Werkszustand parallel aus, den Spannungswert über Pin 4 und Stromwert über Pin 2. Der Anwender kann so beispielsweise einen Wert nutzen, um ein Kontroll-Anzeigegerät vor Ort zu betreiben und den anderen Wert an die übergeordnete Maschinensteuerung geben. Auch zur Diagnose ist ein zweites Positionssignal hilfreich. Solange die Absolutposition des Ausgangssignals von Pin 4 dem Signal auf Pin 2 gleicht, ist alles in Ordnung.
Easy-Teach für Inbetriebnahme und Montage
Über die Easy-Teach-Funktion sind alle Li-Sensoren auf den Anfangs- und Endpunkt einer Messstrecke einstellbar. Ferner kann so auch das Messsignal invertiert werden, also Anfangs- und Endpunkt der Messung getauscht. Die Status-LEDs am Sensorkopf melden dem Bediener einen erfolgreichen Teach-Vorgang direkt zurück. Dieses Einlernen erlaubt eine flexible Anpassung an die Gegebenheiten vor Ort und unterstützt so eine erleichterte Inbetriebnahme. Die präzise lineare Positionserfassung mit Messlängen über einem Meter ist vor allem in großen Maschinen gefragt. Bisher musste man hier alternative Messsysteme einsetzten, sprich bei der Performance des Sensors und der Maschine Abstriche machen. ge
Details zu den Li-Sensoren
PLUS
Induktives Linearwegmesssystem
Das induktive Linearwegmesssystem von Turck basiert auf dem sogenannten Resonator-Prinzip. Anders als bei magnetostriktiven Sensoren erfolgt die Positionserfassung nicht über einen magnetischen Positionsgeber, sondern über einen Resonator, also ein schwingfähiges System aus Kondensator und Spule. Dabei generiert eine im IP67-Sensorgehäuse untergebrachte Sendespule ein Wechselfeld, das den Positionsgeber anregt. Dieser induziert in der Folge eine Spannung in die Empfangsspulen des Sensors. Aus der induzierten Spannung errechnet der interne 16-Bit-Prozessor die exakte Position.
Potenziometrisches Linearwegmesssystem
Potenziometrische Linearwegmesssystem basieren wie jedes Potenziometer auf einem Widerstand mit veränderbarem Abgriff, dem Schleifer. Der Schleifer ist im Falle von Linearwegsensoren der Positionsgeber. Diese Systeme können messprinzipbedingt nicht berührungslos arbeiten, werden jedoch typischerweise in Gehäusen mit Positionierstange konstruiert, die so IP67 erreichen. Die Dichtungen am Ausgang der Positionierstange sind die Achillesverse der Potenziometer. Verschleiß und Abrieb setzen ihnen auf Dauer zu. Die Messlängen von Linearpotenziometern sind theoretisch unbegrenzt, für den industriellen Praxiseinsatz findet man aber kaum Modelle mit Messlängen über 1 m, da hier die Fertigungskosten stark ansteigen.
Magnetostriktives Linearwegmesssystem
Die Sensoreinheit sendet über einen Wellenleiter einen elektrischen Start-Impuls. Durch diesen Impuls erzeugt der magnetische Positionsgeber eine Torsionswelle im Wellenleiter, die vom Positionsgeber Richtung Sensoreinheit läuft. Die Laufzeit vom Impuls bis zur detektierten Torsionswelle wird gemessen und daraus die Entfernung zum Positionsgeber berechnet. Neben den elektronischen Bauteilen begrenzt vor allem die Laufzeit der Torsionswelle die maximale Abtastrate des Systems. Die Messlänge magnetostriktiver Sensoren ist nahezu unbeschränkt, jedoch sinkt die Abtastrate mit zunehmender Messlänge.
