Berührunglose magnetische Weg
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BERÜHRUNGSLOSE MAGNETISCHE WEG- UND ABSTANDSSENSOREN Markus Schuler 12.07.2010 Vortragsinhalte Magnetoinduktive Wegsensoren Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Magnetostriktive Wegsensoren Magnetoinduktive Wegsensoren Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Magnetoinduktive Wegsensoren Funktionsprinzip Quelle: Elektronik Praxis, 05.08,2008 Sensorelement besteht aus einer flachen Spule mit dreieckförmigen Windungen Erregung der Spule mit hochfrequenten Wechselstrom Spule besitzt einen flachen Kern (Folie) aus weichmagnetischem Material, welcher die Induktivität der Spule beträchtlich erhöht Permanentmagnet als Positionsgeber Fährt der Positionsgeber entlang der Planarspule, bewirkt dies lokal eine lageabhängige Änderung der Spuleninduktivität, da durch Sättigung die magnetische Leitfähigkeit abnimmt und die Kernfläche verkleinert wird. Die resultierende Signaländerung wird von der Elektronik ausgewertet. die Änderung der Induktivität ist proportional zur Fläche der unter dem Kern liegenden Spule Magnetoinduktive Wegsensoren Sensorelektronik Interface Präzisionsgleichrichter Signalkonditionierung Verstärkung Offset-Kompensation Erzeugung genormter Ausgangssignale Null- und Endpunktabgleich (manuelle oder controllergesteuerte Potentiometer) Kompensation von Exemplarstreuung Kompensation von Montagetoleranzen Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie Oszillator Erregung der Planarspule durch hochfrequenten Strom (f ≈ 1MHz) Ausgangssignal ist eine Wechselspannung gleicher Frequenz, dessen Amplitude eine eindeutige Zuordnung der Targetposition ermöglicht Proportional-integral-Reglung zur Kompensation von Temperatureinflüssen Endstufe Schnittstelle zwischen Sensorelektronik und externen Anwendungen Stabilisierung der Spannungsversorgung Schutzfunktionen Magnetoinduktive Wegsensoren Sensorelement Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie gedruckte Planarspule auf dielektrischer Trägerplatine ⇒ PCB (printed circuit board) ineinander verlaufende Dreieckwindungen (Bild rechts) gehören zum Standartdesign Spulenkern: flexible weichmagnetische Folie mit sehr hoher magnetischer Leitfähigkeit (µr >> 1), welche die Induktivität stark erhöht Spulenkern einseitig oder beidseitig auf die Spule aufgeklebt Bauweise erhöht aufgrund der Flexibilität in Umgebungen mit hohen Vibrationen wesentlich die Sensorzuverlässigkeit ermöglicht eine kostengünstige Produktion Ortsabhängigkeit des Ausgangssignals des Sensor ist entweder durch eine ortsabhängige Spulengeometrie bei konstanter Foliengeometrie oder umgekehrt einstellbar Linearitätsfehler lässt sich durch äquidistantes Design der Bestandteile stark reduzieren Magnetoinduktive Wegsensoren Ausgangssignal Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie Standartsignale 0…10 V 4…20 mA Ausgangssignal ist direkt Proportional zum Messweg Nullpunkt im Diagramm entspricht der Mitte des Erfassungsbereichs (160mm im Beispiel rechts) Linearitätsfehler ≤ ± 1,5 % Wiederholgenauigkeit ± 0,1 % Magnetoinduktive Wegsensoren Typischer Aufbau eines realen Sensors Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie Magnetoinduktive Wegsensoren Anwendungsbeispiele Füllstandsmessung Durchflussmessung Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie magnetischer Schwimmer als Positionsgeber magnetischer Schwebekörper fungiert als Positionsgeber Erfassung der Kolbenposition eines Zylinders im Kolben integrierter Ringmagnet dient als Positionsgeber Quelle: Hans Turck GmbH & Co. KG, Mühlheim an der Ruhr Magnetoinduktive Wegsensoren Überblick Vorteile Typische Systemdaten (Beispiel) Robust auch in rauen Umgebungen Ausgangssignal: 0…10 V oder 4…20 mA Unempfindlich gegen Verschmutzungen Messgeschwindigkeit: 1,5 kHz Möglichkeit zur kompakten Systemintegration Betriebsspannung: 15…30V DC Sehr gutes Kosten-/Nutzen-Verhältnis Wiederholgenauigkeit ≤ 30 µm Geeignet für Anwendungen mit hoher Dynamik Linearitätsfehler ≤ 0,3 mm Hohe Lebensdauer Linearitäts- und Arbeitsbereich: 10 mm Feldstärke axial: 10 kA/m Betriebstemperatur: -10°C …. +70°C Temperaturkoeffizient: + 4 µm/K Detektion des Positionsgebers durch isolierende Materialien und Buntmetalle ist möglich Große Toleranz gegenüber Schwankungen in Yund Z-Richtung Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Aufbau und Funktionsprinzip Quelle: FET-Mikroelektronik LTD.&CO.KG Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen 2 Komponenten: 1. Magnetisch kodierter Maßkörper 2. Wegsensor (Sensorkopf) Sensorkopf gleitet berührungslos über den Maßkörper, Abstand bis zu 1/3 der Polbreite Sensorelemente (Hallsensoren) im Sensorkopf tasten die Magnetfelder ab und erzeugt daraus ein entsprechendes Ausgangssignal Magnetische Feldlinien bilden ein dreidimensionales Vektorfeld, dessen Periode der doppelten Polbreite des Maßkörpers entspricht Jedes Sensorelement erzeugt eine vollständige Sinus-Welle pro Pol ⇒ 1 magnetische Periode = 360° Bewegungsrichtung durch den Einsatz von 2 Sensorelementen detektierbar, die um 0,5 oder 1,5 Polbreite zueinander versetzt sind Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Halleffekt Halleffekt: Auftreten einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet (Edwin Hall, 1878) Spannungsabfall senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch zur Magnetfeldrichtung Quelle: uni-kiel.de Quelle: Wikipedia Ein Hallsensor liefert ein Ausgangssignal, welches zur magnetischen Feldstärke proportional ist. Vorteil Hallsensor: Das Ausgangssignal steht auch bei konstantem Magnetfeld an (im Gegensatz zur Paarung Magnet/Spule) Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Wegsensor (inkrementeller Sensor) a) Bestückung Hallsensoren: 1. 2 Sensoren für die inkrementelle Positionsauswertung 2. 1 Referenzpunktsensor (optional) 3. 1 bis 2 Endschaltersensoren (optional) Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen b) Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Sv corporate media Bild b): Blockschaltbild eines digitalen inkrementellen Wegsensors Beim analogen Wegsensor entfallen A/DWandler und Interpolator Interpolator arbeitet typischerweise mit 8 bis 12 Bit Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Ausgangssignale (inkrementeller Sensor) Analoge Sensoren Digitale Sensoren Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Pegel: 1 Vss A- und B- Signal um 90° Phasenverschoben Vorzeichen der Phasenverschiebung hängt von der Bewegungsrichtung ab Auswertung mittels der Signalamplitude RS422-Pegel A- und B- Signal um 90° Phasenverschoben Vorzeichen der Phasenverschiebung hängt von der Bewegungsrichtung ab Auswertung: Zählerbaustein, Flankenauswertung Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Referenzpunkte Polperiodische Referenzpunkte Einzelreferenzpunkte Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen kein externer Referenzpunktsensor notwendig Fix-Periodische Referenzpunkte pro Pol wird ein Referenzsignal ausgegeben Referenzpunkte sind in einem fixen Abstand über den gesamten Maßkörper verteilt Abstandskodierte Referenzpunkte Referenzpunkte sind nach einem mathematischen Algorithmus angeordnet Nach überfahren zweier Referenzpunkte kann die absolute Position bestimmt werden Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Absolute Systeme a) Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie b) Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie 2 Konzepte: 1. Quasi-absoluter Sensor mit Batterie und inkrementellem Maßkörper (Bild a) 2. Absoluter Wegsensor mit einer Kombination aus inkrementellem und absoluten Maßkörper Bild b) Quasi-absoluter Sensor: Positionsinformation bleibt erhalten solange die Spannungsversorgung nicht unterbrochen wird Referenzposition muss einmal definiert werden Anheben und Versetzen des Sensors ist unzulässig Absoluter Sensor: Die Anzahl der für die Absolut-Spur zuständigen Sensorelemente bestimmt die Länge des Maßkörpers, welche eindeutig erfassen lässt Position setzt sich zusammen als Summe von Periodenposition (PP) und Teilperiodenposition (TPP) Schnittstellen: SSI BISS Bus (CAN; Profi-Bus, etc…) Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Anwendungsbeispiele Genaue Winkel-Positionierung von Sägeblättern Nachstellen von Solarpanels passend zum Sonnenstand Maßkörper als Magnetring ausgeführt Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Positionieraufgaben in Plattensägen Einsatz in staubiger Umgebung geeignet Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Wegsensoren mit magnetisch kodiertem Maßkörper Überblick Vorteile Gemessener Positionswert steht in Sekundenbruchteilen zur Verfügung Typische Systemdaten Auflösung: 1µm Polbreite: 1mm Betriebsspannung: 5V Echtzeitfähig Robust auch in rauen Umgebungen Unempfindlich gegen Verschmutzungen Wegstrecken bis zu 100m Max. Linearitätsabweichung der Elektronik: 2µm Max. Linearitätsabweichung des Maßkörpers: 8 µm Systemgenauigkeit: ±10 µm Hysterese: 1…5 µm Maximalabstand zwischen Sensorkopf und Maßkörper: 0,35 mm Maximale Verfahrgeschwindigkeit: 20m/s Betriebstemperatur: -20°C …. +80°C Magnetostriktive Wegsensoren Quelle: MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG, Lüdenscheid Magnetostriktive Wegsensoren Magnetostriktion, Magnetostriktiver Effekt Quelle: MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG, Lüdenscheid Magnetostriktiver Effekt tritt ausschließlich bei ferromagnetischen Materialien auf Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials führt zu einer Formänderung in Feldrichtung mit wachsender Feldstärke Effekt basiert darauf, dass sich die Weissschen Bezirke sich in Magnetisierungsrichtung ausrichten und ihre Grenzen verschieben ⇒ Joule-Effekt (entdeckt 1842/46 durch Thomas Prescott Joule) S: mechanische Dehnung Längenänderung in Richtung des Magnetfeldes SH: Elasitizitätskoeffizient bei konstanter magnetischer Feldstärke T: mechanische Spannung d: magnetostriktive Konstante (Zusammenhang zwischen Dehnung und mag. Feldstärke) H: magnetische Feldstärke Magnetostriktive Wegsensoren Erzeugung der Körperschallwelle durch Magnetostriktion (1) Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie Magnetostriktion ermöglicht die Anregung torsionaler Körperschallwellen auf Rohren Prinzipaufbau: Rohr (Wellenleiter), elektrischer Leiter und Permanentmagnet für die Funktionsweise entscheidend ist ausschließlich die Komponente HP des magnetischen Feldes, welche in axialer Richtung in der Rohrwand verläuft ein im elektrischen Leiter fließender Strom, zeugt ein zirkulares Magnetfeld HI um den elektrischen Leiter, welches ebenfalls in der Wand des Rohrs gebündelt wird die Überlagerung von HP und HI ergibt sich ein daraus resultierendes Magnetfeld HRES. Handelt es sich um ein Rohr aus einem magnetostriktiven Werkstoff, dehnt sich das Rohr in Richtung des resultierenden Magnetfeldes HRES aus, wodurch sich ein ringförmiger Bereich ausbildet, welcher gegenüber dem restlichen Rohr tordiert ist ⇒ Wiedemann-Effekt Magnetostriktive Wegsensoren Erzeugung der Körperschallwelle durch Magnetostriktion (2) Quelle: Lineare Weg- und Abstandssensoren, Verlag Moderne Industrie die Erzeugung einer Körperschallwelle erfolgt über einen kurzen Stromimpuls im Mikrosekundenbereich ( < 5 µs) Geschwindigkeit der Welle: √ G: Schubmodul, ρ: Dichte Praxiswert: v ~ 2850 m/s Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle ist durch die Wahl geeigneter Legierungen nahezu unabhängig von der Temperatur Abbildung links: a) Ausgangszustand: Rohr ist nur an der Stelle des Permanentmagneten magnetisiert b) Strom eingeschaltet: Überlagerung beider Magnetfelder führt zur Torsion c) Strom ausgeschaltet: Torsion baut sich beginnend in der Mitte ab, Ausbreitung der Welle beginnt d) Torsionswelle breitet sich in beide Richtungen aus Magnetostriktive Wegsensoren Funktionsprinzip Quelle: WayCon Positionsmesstechnik GmbH, Taufkirchen Als Positionsgeber fungieren Permanentmagnete. Die an ihrer Position durch den Stromimpuls entstehende Torsionswelle läuft in beide Richtungen bis zum Ende. An einem Ende wird die Welle durch Dämpfungselemente eliminiert, damit durch ihre Reflexion keine Störungen verursacht werden. Am anderen Ende des Wellenleiters wird der inverse magnetostriktive Effekt genutzt, um die eintreffende Körperschallwelle über eine Induktionsspule in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Über eine hochauflösende Laufzeitmessung wird die Zeit zwischen gesendetem Impuls (Stromimpuls im elektr. Leiter) und empfangenen Impuls (Signal der Induktionsspule) Aus der gemessenen Laufzeit und der bekannten Körperschallgeschwindigkeit des Wellenleiters (aus dem Speicher der Sensorelektronik) kann der Abstand zwischen Induktionsspule und Positionsgeber ermittelt werden. Magnetostriktive Wegsensoren Wellenleiter für Körperschallwellen Wellenleiter Kernelement magnetostriktiver Sensoren, der Wellenleiter entscheidet über die maßgeblich über die messtechnischen Eigenschaften Standartwerkstoffe: FeNi-Legierungen TERFENOL-D (Tb0,3Dy0,7Fe2) Außendurchmesser ca. 0,7mm, Innendurchmesser ca. 0,5mm Ausführung: Werkstoffe für magnetostriktive Anwendungen Rohr mit durchgefädelter Kupferlitze (Nennlänge bis ca. 4m) TER - Terbium Tb FE - Eisen Fe NOL - Naval Orinance Laboratory D - Dysporsium Dy größter bekannter magnetostriktiver Effekt aller bisher bekannter Werkstoffe Draht als „Endlosware“ Um eine ausreichende Genauigkeit für magnetostriktive Wegmesssysteme zu gewährleisten müssen die Wellenleiter sorgfältig selektiert werden SAMFENOL SAM - Samarium Sm GALFENOL GAL - Gallium Ga Magnetostriktive Wegsensoren Anwendungsbeispiele Füllstande kontinuierlich messen Zylinder-Positionskontrolle Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Pitch regulieren (Windräder, Turbinen…) Quelle: Balluff GmbH, Neuhausen Magnetostriktive Wegsensoren Überblick Vorteile Typische Systemdaten Berührungslos, somit Verschleißfrei Schnittstelle Impuls P Nennmesslänge bis über 7m Betriebsspannung: 24V DC Absolutes Messsystem Auflösung: < 2µm Wiederholgenauigkeit: <2 µm Hysterese: < 4µm Messwertrate 1kHz Max. Linearitätsabweichung Möglichkeit aufgrund der Bauweise die gesamte Sensoreinheit in hermetisch abgeschlossene Gehäuse zu packen Torsionale Wellen lassen sich nicht durch Schock oder Vibration anregen ⇒ hohe Störfestigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen Sehr große Auswahl an Schnittstellen (4…20 mA, 0…10V, CAN, Profibus, Digital (RS422), SSI, BISS, Impuls, Varan, DeviceNet, …) ± 100µm bis 500 mm Nennlänge ± 0,02% über 500mm Nennlänge Stromaufnahme < 100 mA Betriebstemperatur: -40°C …. +85°C VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT Markus Schuler, 12.07.2010
