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Aktuelles aus der Sensorik

Sensoren, Drehgeber, Näherungsschalter, Seilzug, induktiv, kapazitiv, inkremental

microeps1Titelstory

Die Nutzung von Wirbelströmen und der magnetischen Feldstärke von Magneten zur Abstandsmessung sind seit langem etablierte Verfahren. Weniger bekannt ist jedoch die Möglichkeit, beide Verfahren in einem Sensor zu kombinieren. Im folgenden Beitrag erläutert Micro-Epsilon das Messprinzip, mögliche Ausführungen, die Vorteile sowie die Einschränkungen des magneto-induktiven Messverfahrens erläutert.



microeps2Der magneto-induktive Sensor wertet den Abstand zwischen Targetmagnet und Sensor aus. Je größer der Abstand, desto geringer die magnetische Feldstärke. Würde man nur die magnetische Feldstärke zur Auswertung des Abstandes heranziehen, wäre die Kennlinie des Sensors stark nicht-linear. In Kombination mit dem um ein magnetisch sensitives Element erweiterten Wirbelstromverfahren, wird diese Nichtlinearität jedoch kompensiert. Man spricht auch von „Selbstlinearisierung“. Damit ist die Kennlinie eines magneto-induktiven Sensors auch an der Grenze des Messbereichs linear. Im Gegensatz schwächt sich bei Hall-Sensoren der Signalhub beim Messbereichsende deutlich ab, weshalb er für große Abstände ungern genutzt wird.

Möglichkeiten mit dem Verfahren

Da der Sensor auf die Magnetfeldstärke reagiert, kann der Messbereich über die Wahl des Targetmagneten festgelegt werden. Ein stärkerer Magnet vergrößert den Messbereich. Standardmäßig sind hier bis zu 80 mm möglich. Trotz dieses großen Messbereichs können durch die hohe Empfindlichkeit selbst kleinste Wegänderungen erfasst werden. Beides kombiniert ist ein deutlicher Vorteil zum Hall-Verfahren, das nur Messbereiche bis 30 mm bereitstellen kann und die Empfindlichkeit zum Messbereichende stark abnimmt und aufwendig nachlinearisiert werden muss. Durch nichtferromagnetische Stoffe misst der Sensor tadellos hindurch, weshalb sich das Verfahren auch für druckdichte Behälter und geschlossene Systeme eignet. Darüberhinaus zeichnet sich der Sensor durch seine hohe Dynamik aus.

microeps-3Für kleine Stückzahlen stehen Standardmodelle in Edelstahl bzw. Kunststoff zur Auswahl. Bei hohen Stückzahlen ermöglicht das intelligente Schaltungsdesign einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung des Sensors. So können die Sensorelemente bspw. aneinander gereiht werden, um über eine lineare Strecke präzise zu messen. Der Magnet verfährt dann parallel zum Sensor.

Die Elektronik um das Sensorelement wird kundenspezifisch angepasst. So hat Micro-Epsilon für den Dämpfer von Waschmaschinen bereits eine OEM-Version des sogenannten "Mainsensors" entworfen, in der der Sensor außen auf dem Dämpfer aufgeclipst wird und dort per integrierten Magneten die Schwingung der Trommel erfasst.

Beeinflussung der Magnetfeldstärke

Die Magnetfeldstärke am Sensorelement kann  auf unterschiedlichste Weise beeinflusst werden. Dies kann von einer Änderung der Linearität, des Offsets, der Auflösung und des Messbereichs bis hin zu einer Funktionsunfähigkeit des Sensors führen.

microeps4Ferromagnetische Materialien in Sensornähe beeinflussen den Verlauf der Magnetfeldlinien, außerdem können diese Materialien nicht von ihnen durchdrungen werden. Vor allem beim Einbau des Sensors und des Magneten muss hierauf geachtet werden. Zahlreiche Versuche haben gezeigt, dass bei Einbau des Sensors in ferromagnetisches Material die Kennlinie des Sensors bedämpft wird. Dies gilt ebenso für ein ferromagnetisches Material hinter dem Target. Darüber hinaus können äußere Magnetfelder von beispielsweise Targets von benachbarten Sensoren oder magnetische Felder von Elektromotoren Einfluss auf das Signal nehmen. Daher sollte man die Sensoren so anbringen, dass diese keinen zusätzlichen Magnetfeldern ausgesetzt werden. Zudem muss zwischen zwei benachbarten MDS-Sensoren ausreichend Abstand eingehalten werden, um den Einfluss möglichst gering zu halten.

Für den Messaufbau und die Befestigung sollten ausschließlich nicht-ferromagnetische Materialien wie Aluminium verwendet werden.

Die besten Resultate gibt es, wenn der Magnet so zum Sensor angeordnet wird, dass er sich frontal und zentriert vor dem Sensor bewegt. Aber auch eine versetzte oder eine seitliche Messung sind möglich. Diese Messung muss jedoch im Einzelfall genau betrachtet werden, da sich hier Änderungen der Kennlinie ergeben.

Im Einsatz zur Drehzahlmessung

microeps5Beim Starten von Spinnmaschinen wird die Maschine langsam auf Arbeitsgeschwindigkeit hoch gefahren. In diesem Anspinnprozess gilt es, die Drehzahl des Rotors der Rotorspinnmaschine zu erfassen. Wegen Lebensdauer und Wartungsfreiheit muss die Messung berührungslos erfolgen. Bei den Rotorspinnmaschinen wird für den Anspinnprozess die Rotordrehzahl indirekt gemessen. Hierzu wird das Magnetfeld zweier Magnete in einer der beiden Stützscheiben der Rotorlagerung erfasst. Der Sensor blickt dabei stirnseitig auf die Stützscheibe, sodass die Magnete vor dem Sensor rotieren. Durch das Annähern und Entfernen der Magneten zum Sensor ändert sich ständig das Magnetfeld am Sensor und damit das Ausgangssignal. Ein Zylinder bringt den Sensor in die Arbeitsposition. Zwischen Sensor und Stützscheibe befindet sich eine Abdeckung aus Kunststoff durch die das Magnetfeld erkannt werden muss. Sensor und Auswerteelektronik sind in getrennten Gehäusen untergebracht. Durch den Einsatz des Mainsensors kann die Anlaufzeit der Spinnmaschinen deutlich reduziert werden.


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