Biotechnologie | Technologie-Angebot

Physikalische Technik | Technologiebeschreibung
Phasenanaloger Wegsensor
Abstract
An der Hochschule Mannheim wurde ein phasenanaloges
Verfahren zur Weg- und Positionsmessung entwickelt. Der
phasenanaloge Sensor ermöglicht neue Anwendungen in
der Automatisierungstechnik und bei Kraftfahrzeugen.
Weitere innovative Applikationen sind in den Bereichen
Medizin und Umwelt gegeben. Die Sensorik wird mit
kostengünstiger Leiterplattentechnologie gefertigt und
verhält sich robust gegenüber Störeinflüssen.
Leitung mit parallelen Widerständen,
Superposition von Stromquellen
Eine andere Ausführung eines Feldgebers besteht aus
zwei parallelen Leitern, zwischen denen Widerstände
angeordnet sind (Abb. 2).
Die Phase der felderzeugenden Ströme wird hier durch
Speisung mit zwei Wechselstromquellen bewirkt, wobei die
zweite Stromquelle eine feste Phasenverschiebung
gegenüber der ersten aufweist.
Weg x
Messprinzip
Beim phasenanalogen Messprinzip erzeugt ein Netzwerk
aus passiven Bauelementen über einer Wegstrecke ein
magnetisches oder elektrisches Wechselfeld, dessen
Phase entlang der Wegstrecke variiert. Über die Messung
der Phase erfolgt die Bestimmung der Position.
B1 mit
Phase Null
I(x)
B(x) mit
Phase (x)
I2
Uind(x)
RC-Netzwerk als Magnetfeldgeber
Weg x
B1 mit
Phase Null
I(x)
B(x) mit
Phase (x)
B2 mit
Phase
2
I1
RC-Netzwerk
Uind(x)
Empfangsspule
Abb. 1 RC-Verzögerungsnetzwerk als Magnetfeldgeber
Die Wechselströme in den Widerständen haben eine wegabhängige Phase, da durch die einzelnen RC-Glieder eine
Verzögerung der Ausbreitung der Wechselströme entlang
des RC-Verzögerungsnetzwerkes erfolgt. Am Ende der
Strecke wird die maximale Phasenverschiebung erreicht.
Die magnetische Flussdichte entlang der Strecke ist
proportional der Ströme im Netzwerk. In der Empfangsspule wird bei der Position x eine Spannung induziert, die
ebenfalls proportional zur magnetischen Flussdichte und
der erzeugenden Ströme ist. Damit weist die induzierte
Spannung das gleiche Phasenverhalten auf wie die Ströme
im Netzwerk.
Im Sinne des phasenanalogen Verfahrens wird nur die
Phase α(x) der Wechselfelder ausgewertet und nicht deren
Amplitude. Mit Leitungsabschluss ist die Phase α(x) eine
exakte lineare Funktion des Weges x.
Copyright © 2014 TLB
- X2c -
Empfangsspule
Abb. 2 Widerstandsnetzwerk als Magnetfeldgeber
Die auf die Empfangsspule wirkende magnetische Flussdichte B wird durch die oberen und unteren Längsleiter
erzeugt. Infolge der Stromableitung durch die Widerstände
R nimmt die Wirkung der Stromquelle I1 (Phase Null) von
links nach rechts ab und die Wirkung der Stromquelle I2
(Phase alpha2) nimmt von links nach rechts zu.
Infolge von Superposition der Wirkung der beiden Längsleiterströme bildet sich der kontinuierliche Übergang der
Phase in die Induktionsspannung der Sensorspule ab.
Die Weginformation liegt in der Phase der Induktionsspannung. Die Amplitude ist von untergeordneter Bedeutung.
Obwohl in vertikaler Richtung die Feldamplitude über dem
Leiternetzwerk schnell abnimmt, verändert sich die Phase
der Wechselfelder nicht. Dieses Merkmal ist die grundsätzliche Ursache für die Robustheit des Sensors in Bezug
auf den Abstand zum Feldgeber.
So kann die Spule bei einer Sensorlänge von beispielsweise 1 m die Weginformation noch bis in eine vertikale
Höhe von 5 cm über dem Leiternetzwerk detektieren.
Abb. 3 Leiternetzwerk und Spule
1/3
2
I1
Widerstandsnetzwerk
Phasenanaloge Feldgeber gibt es in unterschiedlichen
Ausführungen. Direkt einer Leitung nachempfunden ist das
RC-Verzögerungsnetzwerk wie in Abb.1 gezeigt. Am
Anfang der Strecke erfolgt die Speisung durch eine
Wechselstromquelle.
B2 mit
Phase
Messtechnik | Technologiebeschreibung
Phasenanaloger Wegsensor
Diese Spannung erzeugt ein elektrisches Wechselfeld
zwischen der Widerstandsserienschaltung und dem
Massebezug. Eine elektrische Feldsonde detektiert darin
die Sondenspannung.
Obwohl die elektrische Feldstärke nur geringe Werte in der
Größenordnung von V/cm aufweist und hochohmig
detektiert werden muss, ist der Einfluss von Störungen
dennoch bemerkenswert gering.
B1
t
2
B2
Praktische Ausführung
Der Sensor kann in annähernd beliebigen Längen gebaut
werden, zum Beispiel von wenigen Zentimetern bis hin zu
mehreren zehn Metern oder noch länger. Außerdem kann
die Wegstrecke auch gekrümmt sein und insbesondere
auch als Winkelmesser fungieren.
Die Ströme im Leiternetzwerk der magnetischen Feldgeber
haben Amplituden in der Größenordnung von 20 mA und
eine Frequenz von 32768 Hz. Die Induktionsspannung an
der Spule erreicht Werte von 1 mV bis 10 mV und steht
niederohmig zur Verfügung.
Die maximale Phasenverschiebung beträgt typisch zehn
Grad. Bei einem genügend großen Spulendurchmesser
des Sensors, etwa in der Größe der Leiterelemente, ist in
der Auswertung keine Stufung zu erkennen. Das
Ausgangssignal liefert ein kontinuierliches, lineares
Wegsignal. Der Fehler im Wegsignal liegt unter 0,2 %.
t
2
B(x)
t
Uind
t
Abb. 4 Signale bei induktiven Feldgebern
10°
Elektrischer Feldgeber mit Widerstandsserienschaltung
5°
Das phasenanaloge Sensorprinzip ist auch über eine
Messung des elektrischen Feldes realisierbar, siehe
Abb. 5. Dazu ist eine Serienschaltung von Widerständen
zwischen zwei Spannungsquellen angeordnet. Die zweite
Spannungsquelle hat eine feste Phasenverschiebung
gegenüber der ersten Spannungsquelle.
Weg x
E1 mit
Phase Null
R-Serienschaltung
U1
U
E
E2 mit
Phase
E(x)
2
U2
US(x)
Feldsonde
Abb. 5 Widerstandsserienschaltung als
elektrischer Feldgeber
Infolge von Superposition der beiden eingespeisten Spannungen erhält man wieder eine kontinuierlich über die
Wegstrecke variierende Phase und die Spannung
zwischen den Widerständen beträgt
U(x) = U0(x) ⋅ cos(2π ⋅ f ⋅ t − α(x)) .
2/3
Copyright © 2014 TLB
0
0,5m
1m
Abb. 6 Phase als Funktion des Weges
Elektronik
E(x) mit
Phase (x)
Massebezug
x
0°
- X2c -
Das phasenanaloge Wegmessprinzip hat prinzipiell eine
unendliche hohe Auflösung.
Die Sinussignale werden mit Hilfe von Komparatoren in
zeitanaloge Signale gewandelt. Die phasenanalogen Pulsbreiten ergeben über Mittelwertbildung oder schnelle
Direktintegration eine Gleichspannung. Die weitgehend
analoge Schaltung basiert auf herkömmlichen Bauelementen. Eine ratiometrische Messkette setzt die Messphase zur Streckengesamtphase ins Verhältnis. Damit ist
das Ergebnis weitgehend unabhängig von Toleranzen der
analogen Bauelemente. Temperatur und Langzeitdrift
haben keinen Einfluss. Ein Sensorabgleich ist nicht
erforderlich. Der Gesamtfehler liegt unter 0,2 %.
Messtechnik | Technologiebeschreibung
Phasenanaloger Wegsensor
Kostengünstige Fertigung
Anwendungsgebiete
Der Fertigungsaufwand für die Platine der elektronischen
Auswertung ist vergleichbar mit dem Aufwand für die
kostengünstige Herstellung von Low-Cost-Multimetern im
Bereich von wenigen Euro.
Wegmessung ist in sehr vielen Bereichen wichtig und wertsteigernd für das Gesamtprodukt. Weil die Technologie
sehr einfach und kostengünstig ist, wird das phasenanaloge Verfahren eine präzise Wegmessung auch in völlig
neuen Low-Cost-Anwendungsbereichen ermöglichen.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist der große Bereich
der Automatisierungstechnik und hier insbesondere natürlich die Hydraulik.
Bei Kraftfahrzeugen sind Motorsteuerung und Getriebe
sowie die Wegdetektion bei Türen, Fenstern und Sitzen als
Beispiele zu nennen.
Viele spezielle Anwendungen können sich ergeben in
kritischen Umweltbereichen mit einem hohen Feuchte- und
Schmutzanteil.
In der Medizintechnik bietet sich die Positionsmessung im
Klinik- und Operationsbereich an.
Patentsituation
Abb. 7 Platine der elektronischen Auswertung
Bei großen Längen besteht das Leiternetzwerk aus
Drähten mit aufgelöteten Bauelementen. Kurze Sensoren
bestehen aus kostengünstigen FR4-Platinen mit SMDBestückung.
Es wurden für diese Technologie international mehrere
Patente angemeldet.
Ein deutsches Patent DE 10 2006 012952 B4 ist erteilt und
ein europäisches Patent EP 1 996 900 B1 wurde erteilt und
ist in Deutschland, Frankreich und Großbritannien in Kraft.
Ein europäisches Patent EP 2 428 773 B1 wurde erteilt und
ist in Deutschland, Frankreich und Großbritannien in Kraft.
Die Patentanmeldung EP 12 007 289.7 ist anhängig.
Technologietransfer
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist von der Hochschule Mannheim mit der Verwertung beauftragt und bietet
Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme an.
Kontakt
Abb. 8 Leiternetzwerk als FR4-Platine mit
SMD-Bestückung, Sensorspule
Umweltverträglichkeit
Insbesondere die robusten magnetisch-induktiven Sensorvarianten benötigen keine spezielle Gehäusetechnik oder
Schirmung. Sie funktionieren auch in problematischer
Umgebung mit Wasser und Öl. Lediglich die elektrischkapazitive Variante ist auf trockene Umgebungen
beschränkt.
3/3
Copyright © 2014 TLB
- X2c -
Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte
Herrn Dr.-Ing. Michael Ott
unter E-Mail: [email protected]
Technologie-Lizenz-Büro (TLB)
der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH
Ettlinger Straße 25, 76137 Karlsruhe, Germany
Tel. ++49 / (0)721 / 79004-0
Fax ++49 / (0)721 / 79004-79
www.tlb.de
oder
Herrn Prof. Dr. Burkhard Voigt
unter E-Mail: [email protected]
Hochschule Mannheim
Institut für Analogtechnik und Sensorik
Paul-Wittsack-Straße 10, 68163 Mannheim, Germany
Tel. ++49 / (0)621 / 292 6559