NOVOtechnik. Magnetische und induktive Verfahren setzen sich durch: Kontaktlose Winkelsensorik für viele Applikationen

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1 Ansprechpartner für Presse: Sabine Sprenger Tel. 0711/ NOVOtechnik Novotechnik Messwertaufnehmer OHG Postfach Ostfildern (Ruit) Horbstraße Ostfildern (Ruit) Telefon 0711/ Magnetische und induktive Verfahren setzen sich durch: Kontaktlose Winkelsensorik für viele Applikationen Bei dem facettenreichen Angebot industrieller Winkelsensoren die heute verfügbar sind, wird die richtige Auswahl vor allem von zwei Kriterien bestimmt: der konkreten Messaufgabe und den jeweiligen Qualitätsanforderungen. Dabei zeigt sich, dass in vielen Anwendungen die "altbekannten" Leitplastikpotentiometer aufgrund ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses und ihrer Zuverlässigkeit nach wie vor wichtige Systeme sind. In hochdynamischen Anwendungen, bei ständig durchdrehender oder hochfrequenter Betätigung setzen sich jedoch zunehmend kontaktlose Verfahren durch, die praktisch verschleißfrei arbeiten. Je nach Anwendungsfall kommen dabei unterschiedliche Funktionsprinzipien zum Einsatz, die in der Firmengruppe Novotechnik/Contelec entwickelt werden, so dass sich für jede Applikation eine hinsichtlich Kosten und Leistungsfähigkeit maßgeschneiderte Lösung finden lässt. Zu den Funktionsprinzipien, die am häufigsten zur kontaktlosen Winkelerfassung eingesetzt werden, gehören heute vor allem magnetische und induktive Verfahren. Gemeinsam ist ihnen, dass sie absolute Messwerte liefern, auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeiten und sich aufgrund der zu digitalen Messverfahren vergleichsweise niedrigen Kosten nicht nur für zahllose Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau eignen, sondern auch für mobile Einsatzfälle, z.b. in der Fahrzeugtechnik oder auf Schiffen. Die magnetischen Sensoren überzeugen dabei vor allem durch ihre Anpassungsfähigkeit. Je nach Aufbau lassen sich die Sensoren beispielsweise hinsichtlich Kosten, Genauigkeit oder Linearität optimieren. Ihre prinzipielle Funktionsweise ist einfach zu verstehen: Magnetische Sensoren für unterschiedliche Erfassungsbereiche Ein Magnetfeld, das senkrecht zu einem stromdurchflossenen Leiter angeord- 1/5

2 net ist, lenkt diesen bekanntlich ab. Nach diesem Prinzip funktionieren beispielsweise auch Elektromotoren. Innerhalb des Leiters gibt es eine analoge Erscheinung: Die Stromlinien werden nach einer Seite hin verdrängt. Bei flachen Leitern lässt sich darum quer zum Stromfluss eine Spannung messen. Besonders ausgeprägt ist dieser nach dem Physiker Hall benannte Effekt bei den so genannten Hallgeneratoren. Dreht man ein solches Element im Magnetfeld so, dass es nicht mehr senkrecht vom Magnetfluss durchsetzt ist, ändert sich die Hallspannung. Da die Spannungsänderung nicht linear zum Drehwinkel ist, lassen sich mit solchen Elementen sinnvollerweise nur relativ begrenzte Winkel erfassen. Das Resultat sind jedoch Sensoren, die bis etwa 30 Grad mit einer für viele Anwendungen ausreichenden Linearität von etwa 1 % arbeiten und sich auch für Applikationen eignen, für die verhältnismäßig grobe Messauflösungen ausreichen. Flusskonzentratoren verbessern die Linearität Der Linearitätsbereich lässt sich jedoch erheblich erweitern, wenn man in den Sensoren zusätzlich Flusskonzentratoren (Magnetic Concentrators) einsetzt. Sie vergrößern den Bereich, in dem die Messgröße, also der vom Drehwinkel abhängigen Änderung des Magnetfeldes, und das Ausgangssignal proportional sind. Contelec hat hier mit dem Winkelsensor RSC25 ein Gerät einwickelt, dass sich für die Drehwinkelerfassung bis ca. 150 Grad eignet. Bis 60 Grad werden dabei Linearitäten von besser 0,5 % erreicht, bis 100 Grad immerhin noch besser als 1 %. Der elektrische Nutzwinkel ist in 10 Grad-Schritten zwischen 30 und 150 Grad programmierbar. Die absolute Messung ist bei diesen MC-Hall-Sensoren auf einen mechanischen Indexpunkt bezogen, so dass auch bei einer Rotation während eines Spannungsausfalls die neue Winkelposition erfasst wird. Die Winkelinformation wird über eine 0,5...4,5-V-Spannungsschnittstelle oder optional als mA- Stromsignal ausgegeben. Da der robuste Sensor, der serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP 50 bzw. als Option IP 65 erfüllt, an Versorgungsspan- 2/5

3 nungen von 5 V, 12 V oder 24 V arbeitet, eignet er sich nicht nur für viele industrielle Messaufgaben, sondern auch für mobile Anwendungen. Magnetoresistive Winkelsensoren Ebenfalls auf dem Effekt der Stromverdrängung basieren magnetoresistive Sensoren. Durch den Verdrängungseffekt verlängern sich die Stromwege; dadurch steigt der Widerstand an. Er ist damit ein Maß für den magnetischen Fluss. Solche auch als Feldplatten bezeichneten Sensorelemente lassen sich wie Hallgeneratoren ebenfalls für die Weg- und Winkelmessung einsetzen. Für Drehwinkel zwischen 30 und 180 Grad beispielsweise ist der magnetoresistive Drehgeber RSC 2800 geradezu prädestiniert. Auch dieser Sensor ist vom Prinzip her einfach aufgebaut: An der Achse ist ein Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnetfelds und damit der Durchgangswiderstand des Sensorelements. Diese Widerstandsänderung wird dann noch innerhalb des Sensor- ICs in ein drehwinkelproportionales Analogsignal umgerechnet. Der Sensor arbeitet mit einer internen Auflösung von 13 Bit und einer unabhängigen Linearität von +/- 0,5 %. Neue Definition des klassischen Hallprinzips: Der VertX-Sensor Sollen größere Drehwinkel zwischen 180 und 360 Grad erfasst werden, bietet sich ein weiteres magnetisches Verfahren an: Beim VertX-Sensor, der sich in seiner Bauform stark am Potentiometer orientiert, wird das Hall-Prinzip neu definiert. Den Schlüssel dazu liefert ein besonderer Hallsensor, der in der Lage ist, parallel zu den magnetischen Feldlinien zu messen. Durch die kreuzweise Anordnung zweier solcher Sensoren lässt sich die Position des auf der drehbaren Welle befestigten Magneten über eine volle Umdrehung lückenlos erfassen. Die auch für CPUs verwendete Lithografietechnologie steht dabei für eine hohe Präzision bei der Produktion. Der Drehgeber arbeitet mit einer Genauigkeit von 10 bit, die Auflösung selbst beträgt 12 bit. Für die gemessene Position ergibt sich daraus eine Genauigkeit von 0,35 Grad bei einer Auflösung von 0,1 % und 3/5

4 einer kaum messbaren Hysterese von 0,045 Grad. Der Hallsensor liefert zwei Signale. Ein im Winkelsensor integrierter Mikroprozessor errechnet daraus die Winkel unter Berücksichtigung eventuell eingegebener Parameter. Neben dem analogen Positionssignal können noch zusätzlich zwei Grenzwertsignale ausgegeben werden. Der eingesetzte Mikroprozessor ermöglicht es, den Signalverlauf und gegebenenfalls die Schalterpositionen frei zu programmieren, falls besondere Anwendungen dies erfordern. Ausführungen mit alternativen, auch digitalen Ausgängen sind bei Bedarf realisierbar. Mit nur 22 mm Außendurchmesser und der einfachen Anwendung dank integrierter Elektronik (DC in - DC out) stellt der VertX-Sensor eine preiswerte Lösung für Anwendungen mit hohen Ansprüchen an Lebensdauer und Auflösungsgenauigkeit. Die Bauform ermöglicht auch den nachträglichen Einbau, z.b. als Ersatz für ein Potentiometer. Zu den bereits realisierten Anwendungen gehören z.b. die Positionsabfrage bei professionellen Überwachungskameras, die Stellungserfassung bei Windfahnen, die Erfassung der Ruderpropeller- Stellung bei Schiffen oder Positionieraufgaben in Textilmaschinen. Die induktive Alternative: Sensoren nach dem Indres-Prinzip Obwohl magnetische Winkelaufnehmer damit eine große Anzahl von Aufgabenstellungen abdecken, gibt es Anwendungsbereiche, bei denen andere Alternativen gefragt sind, z.b. weil die Anwendung den Einsatz magnetischer Verfahren verbietet, oder starke Magnetfelder die Sensorfunktion beeinträchtigen könnten. Hier bieten sich Weg- und Winkelsensoren an, die nach dem sogenannten Indres-Prinzip arbeiten: Primär- und Sekundärspule sind mit je einer Windung auf einem Träger angeordnet und von einem beweglichen Ferrit mit Luftspalt umschlossen. Beim Verschieben des Ferrits wird eine Potentialfront mitbewegt. Nach dem Induktionsgesetz wird in der Sekundärseite eine Spannung erzeugt. Ein homogener Siebdruckwiderstand in den Sekundärkreis eingefügt erlaubt, die ortsabhängige Potentialfront über den Spannungsabfall zu erfassen. Eine Auswerteelektronik 4/5

5 erzeugt daraus ein analoges oder digitales Ausgangssignal. Im Prinzip funktioniert der Sensor damit wie ein herkömmliches Potentiometer als Spannungsteiler; nur ist die Ausgangsspannung hier abhängig vom Leitwert der Widerstandsschicht. Auch ohne Kompensation sind dadurch die Temperatur- und Feuchtekoeffizienten mit weniger als 30 ppm/k bzw. 1 ppm/% rel. Feuchte sehr klein. Dabei beschränkt sich das System nicht auf vorgegebene Bauformen. Da sich sowohl die Leiterbahnen als auch der Siebdruckwiderstand individuell in beliebigen Freiformen auf dem Trägermaterial aufbringen lassen, folgt die Sensorgeometrie der Anwendung und nicht umgekehrt. Die guten EMV-Eigenschaften, der robuste, einfache Aufbau, die Umweltresistenz und die Signalgenerierung in Echtzeit prädestinieren den Indres-Sensor für raue Einsatzfälle. Der Sensor ist unempfindlich gegenüber mechanischen Schwingungen und hat sich vor allem in der Kfz-Technik als kontaktloser Weg- und Winkelsensor durchgesetzt, z.b. bei der Lenkwinkelerfassung, E-Gassystemen oder den neuen Steer-by-Wire- Konzepten. Auch der Einsatz in Hydraulik und Pneumatik, z.b. als geschlossenes System mit Schutzart IP 67, ist problemlos möglich. Weitere Applikationsbeispiele finden sich natürlich auch im industriellen Umfeld, z.b. bei der Stellungserfassung von Regelventilen. 5/5