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Frei rotierender Positionssensor mit drahtloser Lageübermittlung

| Autor / Redakteur: David Ely, Guido Gandolfo * / Gerd Kucera

Die induktive Positionserkennung mit LC-Resonator und die axiale Ausführung ist das Besondere dieser Sensor-Lösung für die Automatisierung und Anwendung von Linearantrieben etwa in der Füllstand-Messung.

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Bild 1: Prinzipielle Funktionsweise der induktiven Positionserkennung mit LC-Resonator.
Bild 1: Prinzipielle Funktionsweise der induktiven Positionserkennung mit LC-Resonator.
(Bild: CambridgeIC)

Bevor der Artikel detailliert auf die Funktionsweise und den Nutzen in der Anwendung eingeht, beschreibt er zuvor zusammenfassend die besonderen Merkmale des neuen linearen Positionssensors für die Automatisierungstechnik im Allgemeinen und die Füllstandmessung im Besonderen. Hersteller ist die britische CambridgeIC (Cambridge Integrated Circuits), die 1995 mit der Entwicklung von resonanten induktiven Sensoren zur Positionserfassung began und 2010 den weltweit ersten kommerziell erhältlichen induktiven Resonanz-Prozessor-IC auf den Markt brachte.

Im Gegensatz zu üblichen induktiven Positionssensoren erkennt die CambridgeIC-Technologie bewegte Positionsgeber, die einen Resonanzkreis enthalten. Das führt zu einer höheren Leistung, sodass große Abstände und Fehlausrichtungen zwischen Sensor und Geber möglich sind. Vertrieben wird die Entwicklung vom Technologie-Distributor MEV in Hilter.

Das Besondere an den Axialsensoren ist die Messung der präzisen kontinuierlichen Position eines frei rotierenden drahtlosen Positionsgebers mit großem möglichem Abstand und zwar ohne Störung durch nahegelegene Magnete. Zwischen Sensor und Geber ist ein Abstand von über 10 mm möglich. Dies bedeutet, dass sowohl der Sensor als auch der Geber in eigenen Kunststoffgehäusen untergebracht werden können. Die Position des Gebers kann von außerhalb des Sensorbehälters erfasst werden.

Axialsensoren bieten Produktentwicklern neue Möglichkeiten, um mechanische Komplexität und Kosten zu minimieren. Zu möglichen Anwendungen gehören die Ventilsteuerung, die Positionsrückmeldung des hydraulischen und pneumatischen Stellantriebs, der Flüssigkeitsstand und die Positionserfassung des Spritzenkolbens.

Axialsensoren können erhebliche Fehlausrichtungen tolerieren. Beim Beispiel der Erfassung des Schwimmerstands zur Füllstandkontrolle bedeutet dies, dass sich der Schwimmer mit großen Abständen hin und her bewegen kann, ohne Gefahr, dass er im Schwimmerrohr stecken bleibt. Die Toleranz gegenüber Winkelversatz bedeutet, dass die Flüssigkeit mit einer abgewinkelten Oberfläche schwappen kann, was für Anwendungen in fahrenden Fahrzeugen wichtig ist.

Bei Anwendungen wie der Messung der linearen Position von Ventilen und Kolben bedeutet die Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen, dass Sensor und Ziel keine präzise Montage erfordern. Es ist nicht erforderlich, ein spezielles Linearlager hinzuzufügen, um die Bewegung des Ziels einzuschränken.

Zur Positionsberechnung arbeitet der Sensor mit der zentralen Tracking-Einheit CAM312 von CambridgeIC. Dieser IC misst und verarbeitet Sensorsignale und liefert über eine SPI-Schnittstelle Positionsdaten von hoher Qualität an einen Host.

Bild 2: Der Signalgeber mit LC-Resonator
Bild 2: Der Signalgeber mit LC-Resonator
(Bild: CambridgeIC)

Die Technik zur induktiven Resonanz-Positionserfassung von CambridgeIC hat sich in einer Vielzahl von Anwendungen mit hohem Volumen weltweit bewährt. Durch die Verwendung von Leiterplatten zum Aufbau von Positionssensoren sind diese robust und tolerant gegenüber Temperaturänderungen, Schmutz, Feuchtigkeit, Vibrationen und Stößen. Die inhärente Genauigkeit der modernen Leiterplattenherstellung sorgt für eine hohe Sensorgenauigkeit.

So funktioniert die Resonator-Positionserkennung

Anwender können ihre Sensorik auch selbst herstellen (oder bauen lassen), um eine kostengünstige und einfache Produktion zu gewährleisten. Außerdem ist es möglich, eigene Schaltkreise auf derselben Leiterplatte hinzufügen, wodurch Steckverbinder und andere Teile entfallen, sodass sich die Produktion weiter vereinfacht.

Bild 3: Ersatzschaltbild eines einfachen, induktiven Resonanzsensors
Bild 3: Ersatzschaltbild eines einfachen, induktiven Resonanzsensors
(Bild: CambridgeIC)

Die induktive Resonator-Positionserfassung ist eine berührungslose Methode in der Weg- und Winkel-Sensorik. Es handelt sich hierbei um eine Weiterentwicklung des industrieüblichen linearen bzw. rotierenden variablen Differentialtransformators (LVDT/RVDT). Der Hauptunterschied besteht darin, dass komplexe Spulenwicklungen durch eine Sensorplatine ersetzt werden, die auf herkömmlicher Leiterplattentechnik basiert. Spulen auf eine Platine aufzudrucken senkt dramatisch die Herstellungskosten und ermöglicht es ferner, die Sensorplatine mit weiterer Elektronik zu verbinden.

Im Gegensatz zu linearen bzw. rotierenden variablen Differentialtransformatoren braucht die bewegliche Systemkomponente hier nicht achsengenau auf die Sensorspulen ausgerichtet zu werden. Stattdessen markiert ein elektromagnetisch gekoppelter Resonator (ein aus Spule und Kondensator bestehendes, schwingfähiges System) die Position des Signalgebers. Dieser besitzt eine unverwechselbare elektronische Signatur, der Vibration einer Stimmgabel ähnelnd. Diese Vibration ist deutlich von anderen Gegenständen in der Sensorumgebung (beispielsweise von Metallen) abgrenzbar, die andernfalls vom Sensor zusammen mit dem Signalgeber erfasst werden würden.

Bild 4: Die Impuls-Echo-Abfrage. Sie schützt das Resonator-Signal präzise gegen unerwünschte Signale, etwa Störungen aufgrund in der Nähe befindlicher Metalle.
Bild 4: Die Impuls-Echo-Abfrage. Sie schützt das Resonator-Signal präzise gegen unerwünschte Signale, etwa Störungen aufgrund in der Nähe befindlicher Metalle.
(Bild: CambridgeIC)

Die zum Bau der im Signalgeber erforderlichen Spulen können entweder aufgedruckt oder gewickelt werden. Das Wickeln der Spulen ermöglicht einen höheren Gütefaktor. Dadurch erhöht sich die Signalstärke, was eine höhere Auflösung bewirkt. Zusätzlich wird die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.

Die von CambridgeIC angebotenen Signalgeber wurden von TDK-EPCOS konstruiert und bestehen aus einer Ferritkernspule, parallelgeschaltet zu einem Kondensator. Beide sind zusammen in einem Plastikgehäuse vergossen. Die Befestigungslöcher sind exakt auf den Resonator ausgerichtet.

Ein induktiver Resonanz-Positionssensor verwendet Spulen, um den Resonator im Inneren des Signalgebers anzuregen und die zurückkommenden Signale zu erfassen. Anzahl und Form der Spulen hängen vom Anwendungsfeld und der geometrischen Konfiguration des Sensors ab. Drei Spulen sind die praktische Mindestanzahl wie in Bild 4 zu sehen. Um eine höhere Genauigkeit und Auflösung zu erzielen, können Spulen paarweise hinzugefügt werden.

Die Auswerteelektronik der Positionssensoren

Die für induktive Resonanz-Positionssensoren nötige Auswertungselektronik muss die Kopplungsfaktoren zwischen den Spulen von Sensor und Signalgeber erfassen (kCOS und kSIN). Normalerweise wird hierzu eine Impulsechoermittlung eingesetzt, da sie das Resonator-Signal präzise gegen unerwünschte Signale abgrenzt, wie etwa Störungen aufgrund in der Nähe befindlicher Metalle.

Die Auswertungselektronik erzeugt zunächst ein Anregungssignal, das eine gewisse Anzahl von Stromzyklen auf Resonator-Frequenz umfasst. Dieser Stromfluss führt dazu, dass sich im Resonator eine Schwingung aufbaut. Der Stromzufluss wird daraufhin unterbrochen; die Schwingung im Resonator beginnt abzuklingen.

Die Auswertungselektronik erfasst die elektromagnetischen Kräfte, die durch die abklingende Schwingung in den Empfangsspulen der Sensorplatine induziert werden. Diese elektromagnetischen Kräfte sind proportional zu den zwischen Resonator und Sensorspulen benötigten Kopplungsfaktoren. Wie erwähnt, variieren die Sensorplatinen nach Größe und geometrischer Konfiguration. Diese Details legen die Relation zwischen Kopplungsfaktor und Position fest und damit auch den im Prozessorinneren ablaufenden Berechnungsvorgang.

Bild 5: Linearwegsensor mit sinusförmigem Sensorspulenschema.
Bild 5: Linearwegsensor mit sinusförmigem Sensorspulenschema.
(Bild: CambridgeIC)

Eine der einfachsten Spulenanordnungen ist so entworfen, dass sie eine sinusförmige Relation zwischen Kopplungsfaktor und Position vorgibt, mit Sinus- und Cosinus-Spulen in räumlicher Phasenverschiebung um 90°. Dies wird mit der Spulenanordnung wie in Bild 5 gezeigt erreicht.

Die Anregungsspule am Rand der Sensorplatine erregt den Resonator unabhängig von seiner Position (kEX). Die Sinus-Spule ergibt eine sinusförmige Ausprägung des Kopplungsfaktors; die Cosinus-Spule einen entsprechend um 90° phasenverschobenen Faktor. Die Positionsberechnung erfolgt in diesem Fall sozusagen quadrantenweise unter Anwendung der Arkus-Tangens-Funktion. Dies ist gleichbedeutend mit der Messung des Winkels (Pr) des Vektors (kCOS, kSIN).

Tauglichkeit für hochvolumige Industrie- Anwendungen

Diese Berechnung ist rein ratiometrisch, da sie nur von den relativen Werten der beiden Kopplungsfaktoren kCOS und kSIN abhängt. Werden beide verdoppelt oder halbiert, bleibt der Umlaufwinkel Pr unverändert. Hieraus resultiert die Stabilität gegenüber Schwankungen bei Versorgungsspannung, Spulenwiderständen, Temperatur und der Sensibilität der Auswertungselektronik.

Bild 6: Mehrachssystem mit CAM204 und zentrale Erfassungseinheit CTU
Bild 6: Mehrachssystem mit CAM204 und zentrale Erfassungseinheit CTU
(Bild: CambridgeIC)

Ein Central-Tracking-Unit-IC (CTU) hat die gesamte Auswertelektronik für vier (CAM204) oder zwei (CAM312, CAM502) Sensor-Einheiten integriert. Er kann in Verbindung mit unterschiedlichen Linear- und Winkelsensoren verwendet werden. Sensoren für höhere Auflösungen benötigen zwei Messkanäle (Grob- und Feinkanal). Die Datenübermittlung zum übergeordneten System erfolgt über die SPI-Schnittstelle.

Die Tauglichkeit der Technologie für hochvolumige Industrie- Anwendungen zeigen die Produkte im Sortiment der Firma Hans TURCK: Diese Sensoren basieren auf dem integrierten CTU-Schaltkreis-Prozessor und dem Sensordesign von CambridgeIC, eingebettet in ein Industrie-Gehäuse für raue Umgebungen. Hinzu kommen eine Reihe industrieüblicher Schnittstellen wie 0 bis 10 V, 4 bis 20 mA, SSI und IO-Link.

Bild 7: Das Anwendungsbeispiel Befüllungsmessung
Bild 7: Das Anwendungsbeispiel Befüllungsmessung
(Bild: CambridgeIC)

MEV Elektronik Service bietet die induktiven Resonanz-Sensoren nun als Komponenten zur Direkteinbettung in das jeweilige Produkt an. Aufgrund herkömmlicher Leiterplattentechnik ist der Sensor sinnvollerweise auf der gleichen Fertigungsstraße hergestellt wie die restlichen Schaltungen des Produkts. Wo mechanisch machbar, lassen sich die vorhandenen gedruckten Schaltungen des Produkts so verlängern, um zusätzlich den Sensor aufzunehmen. Die Fertigungsdaten der Sensoren werden in diesem Fall vom Hersteller zur Verfügung gestellt.

Das Anwendungsspektrum des Messsystems ist breit gefächert, etwa Laborautomatisierung, Fernsteuerung von Kameras, Aktor-Rückkopplung, Füllstandbestimmung oder auch zum Einsatz in Druckmaschinen zur Papierdicken-Messung. Im Transportwesen empfiehlt es sich für die Positionserfassung an Fahrgestell, Steuerung und Kraftübertragung.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 17/2020 (Download PDF)

Mit Entwicklungsplatinen kann die Technologie ausgiebig getestet werden. Zudem gibt es Kits, bestehend aus einem Development-Board mit Sensoren, Targets und dem CTU-Adapter, um das Messsystem an den PC anschließen zu können. Die umfangreiche WinPC-Software kann über die Website von Cambridge IC kostenlos heruntergeladen werden.

Bild 8: Die Axial-Sensor-Entwicklungsplatine CAM312
Bild 8: Die Axial-Sensor-Entwicklungsplatine CAM312
(Bild: CambridgeIC)

Die Vorteile der induktiven Resonator-Sensorik für eine große Anwendungsvielfalt lassen sich wie folgt zusammenfassen: funktioniert selbst in rauer Umgebung und sorgt für die zuverlässige Messung bis zu einem Abstand von mehreren Millimetern, Sensorik ist tolerant gegenüber ungenauer Ausrichtung und einfach mechanisch integrierbar, eigensichere Nullpunkteinstellung, nur ein Sensor-IC für bis zu vier Achsen, Sensoren aus konventionellen Platinen-Material, in andere Schaltungen integrierbar, keine schwierig zu handhabenden Materialien oder Herstellungsabläufe.

* David Ely ist CEO und Gründer der Cambridge Integrated Circuits (CambridgeIC), Cambridge.

* Guido Gandolfo ist Line Manager Motion Control bei MEV Elektronik Service, Hilter.

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