Maß nehmen mit Stößel oder Messfahne

Ob für externe oder mit integrierter Elektronik, programmierbar oder in Form eines Messtasters – induktive Wegaufnehmer gibt es in vielfältigen Ausführungen für unterschiedlichste Messaufgaben.     Die typische Ausführung eines induktiven Wegaufnehmers besteht aus einem hohlen Spulenkörper mit streng symmetrisch gewickelten Spulen, einer ferromagnetischen Abschirmung mit hoher Permeabilität und einem runden rostfreien Stahlgehäuse. Die Freiräume zwischen Spule und Gehäuse werden komplett mit aushärtendem Kunststoff vergossen.
Durch den Spulenkörper bewegt sich der Stößel einer Nickel-Eisenlegierung und verändert die Induktivität der beiden Spulenhälften gegensinnig. Die Bohrung des Spulenkörpers und der Durchmesser des Stößels sind so gewählt, dass die Bewegung berührungslos und somit verschleißfrei erfolgt.
Kleinste Wegänderungen des Stößels sind wegen der unendlichen Auflösung messbar. Der frei bewegliche Stößel hat keinen Anschlag und kann aus dem Wegaufnehmer herausgezogen werden. Bei auftretenden Überhüben wird er somit nicht zerstört. Nur axiale Bewegungen des Stößels führen zu einer Induktivitätsänderung. Radiale Bewegungen zur Messrichtung werden nicht miterfasst, so dass auch Hebelbewegungen messbar sind.   Feintaster mit Elektronik-Modulen  
Induktive Messtaster der Serie SM22 messen in vielen Montage- und Prüfautomaten. Bei der dargestellten Anwendung wird mit einer zylinderförmigen Tastspitze die vorgeschriebene Befüllung einer Kapsel gemessen. Mit den auswechselbaren Messeinsätzen werden die Taster an die jeweilige Messaufgabe angepasst. Die hohe Taktzeit erfordert eine schnelle Reaktion der Taster und der nachgeschalteten Auswertung. Die Messtaster werden an ein Elektronik-Modul der Serie SM12 angeschlossen. Das für max. 2 Kanäle ausgelegte Modul im Gehäuse für Normschienenträger wird im Schaltschrank montiert und enthält die Einstellpotentiometer für Nullpunkt und Verstärkung.
Die maximale Länge des Verbindungskabels zwischen den Tastern und der Elektronik beträgt bis zu 100m. Die Taster arbeiten nach dem Prinzip der induktiven Halbbrücke. Dabei wird ein NiFe-Kern durch den hohlen Spulenkörper geführt. Die Position des Kerns erzeugt eine, der Position des Kerns proportionale, gegensinnige Induktivitätsveränderung der beiden in Reihe geschalteten Spulen.
Die Auswerteelektronik versorgt die Taster mit einer hochkonstanten Wechselspannung, demoduliert phasenrichtig, verstärkt und gibt das Messsignal als normiertes Ausgangssignal 0(4) – 20mA, 0 – 10VDC oder ±10VDC zur Weiterverarbeitung aus. Die verwendete 10kHz Trägerfrequenz ermöglicht die Erfassung hoch dynamischer Messvorgänge. Die standardmäßig eingestellte Grenzfrequenz beträgt 800Hz und kann auf Kundenwunsch auf 4kHz erhöht werden.
Verschleißarm und wartungsfrei ausgeführt, arbeiten die Taster zuverlässig mit einer langen Lebensdauer. Weitere Ausführungen haben die Auswerteelektronik bereits integriert. Die erforderlichen Betriebsspannungen der Elektronik-Module sind variabel und können den Anwendungen angepasst werden, wie z.B. 11 – 17VDC beim Einsatz in Kraftfahrzeugen.   Messfahnen für Wegabschnitte  
Im Allgemeinen begrenzt die Baulänge der Sensoren den zu messenden Weg. Daher ist das induktive Messverfahren trotz seiner Vorteile nicht überall einsetzbar. Es gibt aber viele Aufgaben, wo innerhalb großer Wege nur begrenzte Abschnitte gemessen werden müssen. Solche Fälle deckt ein induktiver Wegaufnehmer mit einem Messweg von 20mm ab, der dem Prinzip des symmetrischen Differentialtransformators folgt. Die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung wird durch ein bewegliches Kupferblech, der Messfahne, verändert. Die Primär- und Sekundärspule liegen sich, durch einen Spalt getrennt, gegenüber. In diesem Zwischenraum ist die Messfahne frei beweglich. Die integrierte Elektronik wandelt den Weg der 1mm dicken Messfahne durch den 2,5mm breiten Spalt in ein proportionales analoges normiertes Ausgangssignal (0(4) – 20mA oder ±10VDC) um. Die Messfahne lässt sich an beiden Seiten aus dem Spalt herausführen. Sobald die Messfahne wieder dorthin zurückgeführt wird, ist der Wegaufnehmer erneut einsatzfähig. Messfahnen und Wegaufnehmer sind untereinander austauschbar, so dass bei bestimmten Messaufgaben, z.B. exakte Positionierung des Drehtisches einer Fräsmaschine, mehrere Messfahnen mit einem Aufnehmer oder auch kombiniert betrieben werden können.     Programmierbar  
Induktive Wegaufnehmer melden die Stellung von Hochdruck-Dampf-Bypassventilen und Wassereinspritzventilen an Dampfturbinen in Kraftwerken an die Warte. Damit die Forderung, die Ventilstellung zwischen 0% und 100% (entspricht 4 – 20mA Ausgangssignal) trotz der mechanischen Toleranzen der Ventile exakt zu erfassen, erfüllt wird, müssen Anfangs- und Endwert der Wegaufnehmer einstellbar sein. Die Montage und Justierung der Wegaufnehmer soll schnell und einfach erfolgen. Die programmierbaren induktiven Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik erfüllen diese Forderungen.   Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers wird mit einem 16-Bit A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Mit den im EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen erfolgt die Korrektur der Messwerte. Ein 16-Bit D/A-Wandler formt die digitale Information in normierte Ausgangssignale um.   Beim Teach-in Verfahren wird der Wegaufnehmer auf den Anfangspunkt gestellt und ein Kontakt am Stecker- oder Kabelausgang für mindestens 2 Sekunden mit der Betriebsspannung verbunden. Das Ausgangssignal stellt sich damit auf den Anfangswert ein. In gleicher Weise wird der Endwert eingestellt. Ein kurzzeitiger Wechsel des Ausgangssignals auf Mittelstellung signalisiert eine erfolgreiche Programmierung. Dank dieser Technik können unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer dargestellt werden. Ein Wegaufnehmer mit nominal 150mm Messweg entsprechend 0 – 10VDC Ausgangssignal kann Messwege von mindestens 0 – 26mm oder maximal 0 – 160mm in ein 0 – 10VDC Signal umsetzen. Die vergossene Bauweise in einem nur 25mm dicken Edelstahlgehäuse ermöglicht einen Einsatz bei Schockbelastungen bis 250g SRS (20 – 2000Hz) und Vibrationsbelastungen bis 20g rms (50g Spitze).
Der zulässige Betriebsspannungsbereich zwischen 9 und 32 VDC, die große Genauigkeit von 0,1% und die verschiedenen Ausgangssignale ermöglichen den Einsatz in vielen Bereichen. Zusätzliche mechanische Anbauten, wie Kugelgelenke an Stößel und Gehäuse, Schutzrohre oder Tasterversionen mit Rückholfeder sind lieferbar. Der elektrische Anschluss erfolgt wahlweise über Stecker oder wasserdicht angegossenes Kabel. In dieser Ausführung wird die Schutzart IP68 (Untertauchen) erreicht.   Fazit  
Induktive Feintaster nach dem Prinzip der induktiven Halbbrücke werden häufig in Montage- und Prüfautomaten eingesetzt und an Elektronik-Module angeschlossen. Aufgaben mit begrenzten Wegabschnitten werden von Wegaufnehmern mit Messfahnen und Messwegen bis 20mm gelöst. Müssen Stellungen von Ventilen exakt erfasst und mechanische Toleranzen ausgeglichen werden, kommen programmierbare Wegaufnehmer mit integrierter Elektronik zum Zuge. Autor: Bernd Jödden, Geschäftsführender Gesellschafter der a.b.jödden gmbh