Messe München vom 08. bis 11.11. 2016

Halle A4 Stand 415
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Innovative 360° Winkelmessung mit geringstem Stromverbrauch

In vielen industriellen Anwendungen ist eine möglichst einfache, aber trotzdem präzise und wiederholgenaue Winkelmessung über 360° gefordert. Typische Anwendungsfälle sind die Positionsbestimmung von Dreh- und Regelknöpfen, aber beispielsweise auch Füllstands- oder Manometer-Anzeigen. Eine gängige und preiswerte Lösung hierfür sind Potentiometer, die jedoch im Betrieb einem schwer vorhersagbaren Verschleiß unterliegen, was wiederum ein hohes Ausfallrisiko und einen erhöhten Wartungsaufwand bedeutet.

 

AAT und PS09

Der Münchner Sensorik-Spezialist IS-LINE (vormals HY-LINE Sensor-Tec) bietet hier nun einen völlig neuen Ansatz: Durch die Kombination zweier Produkte aus dem aktuellen Lieferprogramm – eines neuartigen Winkelsensors mit einem intelligenten Sensor-Interface – präsentiert sich eine innovative verschleiß- und wartungsfreie Lösung für die Messung von Drehwinkeln und Drehgeschwindigkeiten mit zudem äußerst stromsparender Technologie.


Der neue 360° Winkelsensor AAT001-10E von NVE besteht aus zwei „Tunneling Magnetosresistance“ (TMR) Sensoren in Halbbrückenschaltung und ist weltweit der erste in Serie produzierte Sensor seiner Art. Jedes der beiden Sensorelemente beinhaltet jeweils einen fixierten und einen freien magnetischen Layer. Dabei kann sich der freie Layer am Magnetfeld (Feldstärke 30 bis 200 Oe) eines beweglichen externen Festmagneten ausrichten. Die Winkeländerung bewirkt ein Widerstandsänderung und ermöglicht so eine Bestimmung des Lagewinkels. Jede der beiden Halbbrücken liefert ohne Verstärkung ein relativ großes 360° Sinus- bzw. Cosinus-Ausgangssignal von typisch 160mV/Vpp.


Die einzigartige TMR-Technologie kann durch externe Magnetfelder nicht zerstört werden und erlaubt zudem sehr weite Einbautoleranzen. So kann der Abstand zwischen Magnet und Sensor bis zu mehreren Millimetern betragen. Der Sensor darf auch exzentrisch zum rotierenden Magneten, der sich zum Beispiel an der Stirnseite einer Drehwelle befinden kann, appliziert werden. Auf Grund eines sehr hohen Widerstands von typisch 1,2 MΩ sind Schaltungen mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme möglich. Der extrem miniaturisierte Winkelsensor wird in einem TDFN6 – Gehäuse (2,5 x 2,5 x 0,8 mm) geliefert.

 

Zeitmessung ersetzt A/D-Wandler

Das Sensor-Interface PS09 aus der PICOSTRAIN® Serie wurde ursprünglich für die Ansteuerung und Auswertung von DMS-Brückenschaltungen konzipiert. Dabei geht der Hersteller acam einen völlig neuen Weg: An Stelle einer herkömmlichen A/D-Wandlung werden die physikalischen Größen wie Druck, Kraft, Temperatur mittels einer Zeitmessung erfasst. Bild 2 verdeutlicht das Messprinzip: Im „Zeit-Digital-Konverter“ werden Entladezyklen bestimmt, deren Perioden sich aus den Brückenwiderständen und einer definierten Kapazität ergeben. Da jeweils beide Brücken-Äste gemessen werden, ergibt sich aus dem Verhältnis der beiden Entladezeiten der gesuchte Messwert – beispielweise die Dehnung.


Die Zeit ist die universellste aller physikalischen Größen und die mit Abstand am genauesten messbare. Sie bietet fantastische Möglichkeiten, um schwierigste Messaufgaben elegant und einfach zu lösen und bietet große Vorteile in Bezug auf Genauigkeit und Dynamik. Die Messrate, Genauigkeit und Stromaufnahme lassen sich sehr flexibel einstellen. Je nach Einstellung erhält man eine Messrate bis 10 kHz, eine Genauigkeit von bis zu 28 Bit ENOB (RMS) bzw. 25,8 Bit rauschfrei (peak-peak) – bei einer Stromaufnahme von weniger als 15 µA, einschließlich dem Strom durch die Sensorbrücke, die nicht eigens versorgt werden muss. Das Sensor-Interface benötigt keine Referenzspannung und verfügt über einen internen leistungsstarken 24 Bit Mikrocontroller, der auch komplizierte Berechnungen schnell und stromsparend durchführt. Die Kalibrierdaten können im internen EEProm abgelegt werden. Der PS09-Chip ist in ein 6 x 6 mm QFN40 Gehäuse integriert.

 

Intelligente Kombination

Da auch der oben beschriebene TMR-Winkelsensor auf zwei Halbbrückenschaltungen basiert, lag eine Kombination mit dem DMS Sensor-Interface nahe und konnte von IS-LINE  in Zusammenarbeit mit dem Hersteller acam auch verhältnismäßig leicht realisiert werden. An die Stelle der Dehnung oder Kraft tritt als Messgröße hier der Drehwinkel. Die Kombination von Winkelsensor und Interface stellt eine berührungslose und damit verschleißfreie Lösung für die Winkelmessung mit hoher Wiederholgenauigkeit und Auflösung dar, die zudem nur wenige Bauteile benötigt und daher eine hohe Ausfallsicherheit bietet. Das alles bei gleichzeitig geringster Stromaufnahme: Je nach geforderter Genauigkeit und Taktzeit (von unter 0,5ms bis zu mehreren ms) liegt der kumulierte Strombedarf bei einigen µA bis zu höchstens 1mA. Auch der Aufbau einer Ein-Punkt-Kalibrierung ist möglich. Beide Elemente sind für erweiterte Betriebstemperaturen von –40 °C bis +125 °C ausgelegt.


Typische Anwendungsfälle sind der Ersatz von Potentiometern, Drehschaltern, Positionssensoren und Winkel-Encodern in industriellen Anwendungen, insbesondere im wartungsfreien Dauerbetrieb. Die innovative Chip-Lösung eignet sich wegen des geringen Energiebedarfs natürlich besonders für alle Batterie betriebenen Geräte. Eine weitere denkbare Applikation ergibt sich, wenn man sich die Sensor-Interface Kombination als Stellglied vorstellt: Der externe Magnet könnte in diesem Falle als berührungslose „Fernbedienung“ fungieren, etwa für hermetisch versiegelte Systeme.