Winkelerfassung unter extremen Umgebungsbedingungen

Warum haben Potentiometer so oft die Nase vorn?

Bei schweren Sonderfahrzeugen im Außeneinsatz weiß man besonders den elektronikfreien und einfachen Aufbau potentiometrischer Winkelaufnehmer zu schätzen (Foto: Kinetronic)

Je rauer die Umgebungsbedingungen, desto mehr wird Technik auf die Probe gestellt. Das gilt natürlich auch für die eingesetzten Winkelaufnehmer. Sie sind z.B. in mobilen Anwendungen aber auch im industriellen Umfeld oft schutzlos Feuchtigkeit, Salzen, Vibrationen oder Erschütterungen ausgesetzt. Unter solch technikfeindlichen Bedingungen müssen sie dann nicht nur ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit unter Beweis stellen, sondern auch der Maschinen- oder Fahrzeugsteuerung möglichst präzise Messergebnisse liefern. Zwar wird heute in diesem Zusammenhang oft der Ruf nach kontaktloser Sensorik laut, die Praxis zeigt aber, dass gerade bei rauen Umgebungsbedingungen Sensoren auf Potentiometerbasis meist ohne ernstzunehmende Konkurrenz sind. Voraussetzung dafür ist, dass sie robust ausgelegt sind und die in solchen Einsatzbereichen obligatorischen Qualitätsanforderungen erfüllen, z.B. an Schleifer, Widerstandselement und Gehäusetechnik.

Bild 2: Thomas Wecker, Geschäftsführer der Kinetronic GmbH: „Auch das EMV-unkritische Verhalten potentiometrischer Winkelaufnehmer kommt unseren Anwendungen im schweren Fahrzeugbau entgegen und im Hinblick auf ihre Lebenserwartung punkten qualitativ hochwertige Leitplastikpotentiometer heute allemal.“ (Foto: Kinetronic)

Thomas Wecker, Geschäftsführer der Kinetronic GmbH.
Bild: Kinetronic

Sensoren auf Potentiometerbasis sind wegen günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses in vielen automotiven, mobilen und industriellen Anwendungsbereichen weit verbreitet und daran wird sich wohl auch in absehbarer Zukunft nichts ändern. Schließlich lassen sich vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Temperaturbereiche, Auflösungen, Linearitäts- und Hysteresewerte sonst nur mit deutlich höherem Aufwand erreichen. Potentiometrische Weg- und Winkelmesser haben deshalb vermutlich einen größeren Marktanteil als alle alternativen Techniken zusammen. Das gilt ganz besonders für Bereiche, bei denen mit extremen Umgebungsbedingungen zu rechnen ist. Die Firma Kinetronic im schwäbischen Pfedelbach, die schon seit 1995 zu den Spezialisten für elektronisch-hydraulische Regelungstechnik bei Sonderfahrzeuge gehört, liefert dafür ein gutes Beispiel.

Bild 3: Die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektrisch-hydraulischen Lenksystemen verlangt den eingesetzten Potentiometer Einiges ab (Foto: Kinetronic)

Die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektrisch-hydraulischen Lenksystemen verlangt den eingesetzten Potentiometer Einiges ab.
Bild: Kinetronic

Hier weiß man besonders den elektronikfreien Aufbau potentiometrischer Winkelaufnehmer zu schätzen. „Weniger Komponenten bedeutet immer auch auch weniger potentielle Fehlerquellen, vor allem wenn es ruppig zu geht“, erläutert Thomas Wecker, Geschäftsführer der Kinetronic GmbH. „Auch das EMV-unkritische Verhalten kommt unseren Anwendungen im schweren Fahrzeugbau entgegen und im Hinblick auf ihre Lebenserwartung punkten qualitativ hochwertige Leitplastikpotentiometer heute allemal“, so Wecker weiter. Die Leitplastikpotentiometer aus dem Hause Novotechnik sind ausgelegt für mehr als 100 Mio. Bewegungszyklen und haben dies auch unter extremen Bedingungen unter Beweis gestellt. Wecker ergänzt: „Schon seit unseren Anfängen arbeiten wir deshalb mit den Sensorikspezialisten aus Ostfildern zusammen und setzen in unseren robusten Winkelaufnehmern der Serie PWG ausschließlich Leitplastikpisten und Mehrfingerschleifer dieses Herstellers ein“.

Robuste, langlebige Präzisionspotentiometer

Bild 4: Präzisionspotentiometer in besonders robuster Industrieausführung (Foto: Novotechnik)

Präzisionspotentiometer in besonders robuster Industrieausführung.
Bild: Novotechnik

Speziell für Anwendungen, bei denen mit extremen Umgebungsbedingungen zu rechnen ist, hat Novotechnik gleich mehrere Leitplastikpotentiometer in besonders robusten Bauformen im Programm. Ein typisches Beispiel dafür ist das Industriepotentiometer der Baureihe IPS6000. Diese robuste Ausführung eines Präzisionspotentiometers, das mit einer Linearität von standardmäßig 0,1 % arbeitet, hat sich sowohl in industriellen Anlagen als auch im Schwermaschinenbau bewährt.

Bild 5: Getriebepotentiometer für raue Umgebungsbedingungen (Foto: Novotechnik)

Getriebepotentiometer für raue Umgebungsbedingungen.
Bild: Novotechnik

Gleiches gilt für die Getriebepotentiometer der Baureihe IGP. Sie arbeiten mit einer Getriebeuntersetzung von 3:1, 5:1 oder 10:1. Ein Drehwinkel von maximal 3800° auf ein Präzisionsleitplastikpotentiometer übertragen und in ein proportionales Spannungssignal umgeformt. Das Gussgehäuse ist wassergeschützt, das einstufige geradverzahnte Getriebe besonders spielarm. Die kräftige Lagerung erlaubt eine hohe Wellen-Radiallast; Ritzel, Zahnriemen oder Kettenräder können direkt montiert werden.

Präzise Heavy-Duty-Potentiometer, bei Bedarf auch redundant

Bild 6: Robust, zuverlässig und bei Bedarf auch redundant: präziser Winkelgeber für den Heavy-Duty-Bereich (Foto: Novotechnik)

Robust, zuverlässig und bei Bedarf auch redundant: präziser Winkelgeber für den Heavy-Duty-Bereich.
Bild: Novotechnik

Das technische Highlight unter den Robusten sind die Leitplastikpotentiometer der Serie IPX 7900. „Ein typischer Anwendungsbereich für diese Sensoren ist beispielsweise die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektrisch-hydraulischen Lenksystemen. Schlaglöcher, Streusalz und andere Belastungen im Einsatz direkt über der Straße beeinträchtigen die Funktion dieser Potentiometer nicht“, freut sich Wecker. Die Heavy-Duty-Potentiometer werden für Erfassungsbereiche von 120°, 200° und 350° angeboten, mechanisch sind sie voll durchdrehbar. Alle Varianten gibt es wahlweise in einkanaliger oder zweikanaliger, redundanter Ausführung mit zwei separaten Anschlüssen. Damit sind gemäß IEC 61508 die Anforderungen nach SIL 3 bzw. Ple erfüllt.

Welle mit doppelter Lagerung

Die Winkelaufnehmer entsprechen zudem den Anforderungen der Schutzart IP67 (Steckervariante M12) oder IP69k (PG-Verschraubung mit Kabelanschluss). Staub, Schmutz oder Nässe beeinträchtigen sie nicht. Da Potentiometer nach dem Spannungsteilerprinzip arbeiten, haben auch Temperaturschwankungen keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Selbst bei starken Vibrationen liegt die zu erwartende Lebensdauer der Winkelaufnehmer bei über 100 Mio. Bewegungen. Ein robustes Vollmetallgehäuse und ein formschlüssiger Deckel schützen die Leitplastik-Widerstandspiste und den langzeitstabilen Mehrfingerschleifer.
Die massive und mit 79 x 35 mm² doch kompakte Bauweise erlaubt den direkten Anbau an der Achse ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen. Durch die stabile, durchgehende Welle mit doppelter Kugellagerung mit großem Lagerabstand und 13 mm Durchmesser ist eine direkte Anlenkung über einen starken Hebel oder Mitnehmer möglich. „Durch die doppelte Lagerung führen Scherkräfte zu keiner Messwertverfälschung“, ergänzt Wecker.

Das Potentiometer bleibt, aber die Entwicklung geht weiter

Sensoren auf Potentiometerbasis haben damit wieder einmal bewiesen, dass sie auch rauen Einsatzbedingungen gewachsen sind und daran wird sich auch in Zukunft nichts ändern, zumal es für praktisch jeden Anwendergeschmack eine passende Lösung zur Verfügung steht. Kommt die Steuerung beispielsweise mit dem für „klassische“ Potentiometer charakteristischen Spannungssignal nicht zurecht, sind heute auch Varianten mit Stromausgang lieferbar. In der gleichen Gehäusetechnik hat Novotechnik mittlerweile auch kontaktlose Messprinzipien, die sich vor allem in Anwendungen mit hochfrequenter oder ständig durchdrehender Betätigung als berührungslose Alternative zum Potentiometer anbieten. Schnittstellenvielfalt, Busanbindung und funktionale Sicherheit gehören zu den wichtigsten Features dieser Sensoren, die sich ebenfalls bereits unter rauen Einsatzbedingungen bewährt haben. Damit lässt sich im Heavy-Duty-Bereich für praktisch jede Anwendung der passende Sensor finden.

Titelbild: Kinetronic

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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Dipl.-Ing. Stefan Sester

Produktbereichsleiter Rotative Sensoren bei Novotechnik

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