Als Ergänzung des bestehenden Resonator-Portfolios für Weg- und Winkelsensoren hat Turck den ersten Miniatur-Linearwegsensor für Messbereiche bis 200 mm entwickelt, der die Vorteile bisheriger Lösungen kombiniert und gleichzeitig deren Nachteile ausschaltet. Der LI-Q17 arbeitet ebenfalls nach dem Resonator-Messprinzip, bei dem die Positionserfassung nicht über einen magnetischen Positionsgeber erfolgt, sondern induktiv über ein schwingfähiges System aus Kondensator und Spule. Das macht die Sensoren unempfindlich gegen EMV-Störungen.
Die größte Herausforderung in der Weg- und Winkelmessung ist die Übermittlung der aktuellen Position eines zu erfassenden Objekts zum Messsystem. Bislang gab es hier noch keine Lösung, die allen Anforderungen gerecht werden konnte. Auf dem Markt haben sich daher unterschiedliche Messverfahren etabliert, die aber alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben.
Der messtechnisch einfachste Weg ist eine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen Positionsgeber und Sensor, wie beispielsweise bei Potenziometerlösungen. Solche Systeme sind meist vergleichsweise günstig, haben dafür aber andere Nachteile: Sie lassen sich manchmal nur mit hohem Aufwand montieren. In vielen Fällen ist es notwendig, potenziometrische Wegmesser aus sicherheitstechnischen Gründen zu verkleiden, wenn Sie aus der Maschine herausragen. Bei der mechanischen Übertragung einer Drehbewegung ist zudem eine exakte axiale Ausrichtung erforderlich, bei schnellen Drehbewegungen zusätzlich noch eine Federkupplung zur Vibrationskompensation. Darüber hinaus sind Potenziometerlösungen in rauen Umgebungen nicht zuverlässig einsetzbar. Vor allem Feuchtigkeit und Vibrationen machen ihnen zu schaffen. Da bei diesen Sensoren prinzipbedingt kein geschlossenes Gehäuse möglich ist, müssen Anwender einen erhöhten Wartungsaufwand und höhere Störanfälligkeit in Kauf nehmen.
Verwendet man magnetische Positionsgeber, wird eine mechanische Verbindung zum Sensor überflüssig. Entsprechende Systeme liefern genaue Messergebnisse und sind aufgrund ihres geschlossenen Gehäuses verschleißfrei. Trotz ihres hohen Preises werden Weg- und Winkelsensoren mit magnetischen Positionsgebern daher heute in möglichst vielen Bereichen eingesetzt, in denen dies möglich ist. Denn überall dort, wo metallische Späne anfallen oder mit störenden Magnetfeldern zu rechnen ist, sind magnetische Messsysteme nur noch bedingt oder gar nicht geeignet. Darüber hinaus weisen magnetostriktive Linearwegsensoren prinzipbedingt sehr große Blindzonen bis zu 80 mm pro Seite auf - bei einem Messbereich von 50 mm müsste der Anwender also eine Baulänge von bis zu 210 mm einplanen.
Resonator-Prinzip schafft Abhilfe
Turck hat neue Weg- und Winkelsensoren entwickelt, die alle dargestellten Nachteile der bislang eingesetzten Verfahren ausschalten. Die Sensoren basieren auf dem so genannten Resonator-Prinzip. Anders als bei magnetostriktiven Wegaufnehmern erfolgt die Positionserfassung nicht über einen magnetischen Positionsgeber, sondern über einen induktiven Resonator, also ein schwingfähiges System aus Kondensator und Spule. Das Funktionsprinzip: Eine im robusten IP67-Sensorgehäuse untergebrachte Sendespule generiert ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das den Schwingkreis im Positionsgeber anregt. Dieser Oszillator induziert daraufhin eine Spannung in ein bzw. zwei Empfangsspulenpaare. Da die Stärke der induzierten Spannung in Abhängigkeit zur Überlagerung der Empfangsspulen steht, kann ein interner Prozessor daraus ein zur Position des Resonators proportionales lineares Ausgangssignal (0...10 V, 4...20 mA, SSI ) errechnen.
Im Gegensatz zu magnetischen Positionsgebern ist das induktive Resonator-Funktionsprinzip nicht nur absolut unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen, wie sie beispielsweise von großen Motoren oder von Schweißanlagen erzeugt werden. Durch den Verzicht auf magnetische Elemente werden auch unerwünschte Span-Ansammlungen am Positionsgeber, die mit der Zeit die Sensorfunktion beeinflussen können, ausgeschlossen. Da der Sensorkörper vollständig geschlossen ist und der Schutzart IP67 entspricht, beeinflussen selbst Schmutz oder Feuchtigkeit die Sensorfunktion nicht - ein Vorteil gegenüber mechanisch gekoppelten Potenziometerlösungen.
Resonator-Portfolio erweitert
Turck setzt das Resonator-Messprinzip inzwischen in drei Sensorfamilien ein: Brandneu im Angebot ist der induktive Miniaturwegsensor LI-Q17, der speziell für besonders kurze Messwege zwischen 50 und 200 mm entwickelt wurde. Der hochkompakte Minisensor vervollständigt das Portfolio aus induktivem Winkelsensor RI und den induktiven Wegsensoren der LI-Q25-Reihe, die Messbereiche von 100 bis 1.000 mm abdecken.
Mit dem LI-Q17 bietet Turck den weltweit ersten induktiven Miniatur-Wegsensor an, der nach dem störungsfreien Resonator-Prinzip arbeitet und damit neue Einsatzbereiche eröffnet. Bisher am Markt verfügbare Mini-Wegmesssysteme arbeiten entweder potenziometrisch, mit einem magnetischen Positionsgeber oder wie herkömmliche induktive Näherungsschalter mit einem Stahlbetätiger. Als einziger Sensor seiner Art kann der LI-Q17 auch dort zuverlässig eingesetzt werden, wo beispielsweise Metallspäne oder Fremdmagnetfelder - etwa durch große Motoren oder Schweißanlagen - die Funktion magnetischer Positionsgeber massiv beeinträchtigen könnten.
Der robuste LI-Q17 im vollvergossenen Kunststoffgehäuse entspricht der Schutzart IP67 und wird in vier Baugrößen mit den Messbereichen 50, 100, 150 und 200 mm angeboten. Mit dem verwendeten 12-Bit-DA-Wandler erreichen die Sensoren eine Auflösung von 0,012 bis 0,05 mm. Die ersten Modelle, die ab sofort zu haben sind, verfügen über einen Analogausgang (0...10 V, 4...0 mA, 0,5...4,5 V). Im Lauf des Jahres wird eine hochauflösende SSI-Variante folgen. Trotz ihrer kompakten Bauform hat Turcks neue Sensorreihe extrem kurze Blindzonen von 10 mm an der Anschluss- und 22 mm an der Kopfseite. Der Anschluss erfolgt über einen Pigtail mit 30 cm Kabel und M12-Steckverbinder oder mit 2 m offener Anschlussleitung.
Der Anwender kann den LI-Q17 dank seines durchdachten Montagekonzepts mit dem mitgelieferten Standardzubehör schnell und einfach installieren und in Betrieb nehmen - in allen Einbausituationen. Stabile Metallclips, die einfach in das Sensorgehäuse eingerastet werden, erlauben wahlweise eine vertikale oder horizontale Montage. Das Elektronikmodul im Positionsgeber ist drehbar gelagert und kann daher exakt so positioniert werden, wie es die Einbausituation erfordert. Und wenn eine Anwendung einen speziellen Messbereich verlangen sollte, lässt sich dieser mittels eines Teach-Adapters vor Ort exakt an die jeweilige Anforderung anpassen. LEDs am Sensor zeigen dem Anwender, ob sich der Positionsgeber im Messbereich befindet.
Linearwegsensor für größere Messwege
Der LI-Q17 ist die konsequente Weiterentwicklung der Resonator-Technologie, die Turck vor rund einem Jahr in der Linearwegsensor-Serie LI-Q25 für Messbereiche zwischen 100 und 1.000 mm erstmals vorgestellt hat. Die Sensoren eignen sich speziell für Anwendungen, die mit bisherigen Erfassungssystemen nicht effizient gelöst werden konnten, wie etwa in metallverarbeitenden oder Spritzgießmaschinen. Auch das Aluminiumstranggussprofil der Q25-Sensoren lässt sich durch Montagezubehör wie Füße, Winkel oder Nutmuttern einfach anbringen. Dank extrem kurzer Blindzonen von maximal 30 mm auf jeder Seite, einem Temperaturbereich von -25 bis +70 °C und der Möglichkeit, den Sensor auf den gewünschten Messbereich zu programmieren, muss der Anwender nicht mehr länger Sondervarianten vorhalten.
Die Sensoren der Q25-Reihe sind mit unterschiedlichen Ausgängen verfügbar: Neben Strom/Spannungs- und SSI-Schnittstelle bietet Turck eine multiprogrammierbare Highend-Variante mit IO-Link-Schnittstelle an. Bei dieser Variante kann der Anwender nicht nur die Messwege, sondern auch den Ausgangssignalbereich frei definieren. So ist beispielsweise für Anwendungen in der Fahrzeugtechnik ein Ausgangssignal von 0,5...4,5 V programmierbar. Darüber hinaus lassen sich bis zu vier Schaltpunkte einstellen.
Sensoren zur Drehwinkelerfassung
Neben den Linearwegsensoren umfasst das Resonator-Portfolio auch eine Serie von Winkelsensoren. Die RI-Sensoren haben einen Messbereich von 360° bei einer Genauigkeit von 0,15 Prozent vom Endwert. Der getrennte Aufbau von Sensoreinheit und Positionsgeber sowie eine Versatzkompensation von ±4 mm garantieren einfache Installation und sicheren Betrieb der Sensoren. Der Positionsgeber kann wahlweise auf Voll- oder Hohlwellen montiert werden. Das berührungslose Prinzip kompensiert anwendungsseitige Lagertoleranzen ebenso zuverlässig wie Vibrationen durch das Unrundlaufen von Wellen. Auch ausgangsseitig passt sich der Sensor an die Umgebung an: 0...10 V-, 4...20 mA-, 0,5...4,5 V und SSI-Schnittstellen stehen zur Verfügung.
Fazit
Aufgrund ihrer großen Störfestigkeit und der hohen Systemauflösung können die verschleißfreien LI- und RI-Sensoren in nahezu allen Anwendungsfeldern die bisher genutzten Lösungen zur Weg- und Winkelmessung ersetzen. Das induktive Resonator-Prinzip ermöglicht den effizienten Einsatz bei vielen Applikationen, die sich bisher nur unwirtschaftlich lösen ließen. Ob kurze oder lange Messbereiche, beengte Platzverhältnisse oder starke elektromagnetische Störeinflüsse - mit den neuen LI- und RI-Sensoren bietet Turck eine flexible Lösung, die sich einfach in bestehende Automationsstrukturen einbinden lässt. Über die M12x1-Standard-Verbindung lassen sich die Linearweg- und Winkelsensoren einfach an Feldbusinstallationen wie etwa Turcks bewährte Systeme BL20, BL67 oder BL compact anbinden.
Autor: André Brauers ist Produktmanager Linearwegsensoren und Drehgeber bei Turck in Mülheim
