Magnetische Messtechnik

Magnetisches Messen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Positionier- und Messverfahren: es ermöglicht das Messen auf Distanz, in schmutziger Umgebung mit hoher Genauigkeit.

Eine typische Messlösung besteht aus einem Messkopf mit Sensor und einem magnetischen linearen oder rotativen Maßstab (Impulsgeber).

Zum Messen werden die magnetischen Eigenschaften eines Maßstabs ausgewertet. Dazu wird der Maßstab mit einem Muster aus magnetischen Nord- und Südpolen zu einer hochgenauen Skala definiert. BOGEN kann Linear- und Rotationsmaßstäbe durch ein patentiertes Spezialverfahren mit frei wählbaren Magnetmustern codieren: einspurig oder mehrspurig, inkrementell oder absolut. Mit einem Magnetbetrachter lassen sich diese Magnetinformationen auf einem Maßstab sichtbar machen. Er zeigt die Grenzen zwischen den Nord- und Südpolen auf.

Die magnetische Messung erfolgt berührungslos. Der Abstand zwischen Sensor und linearem oder rotativen Maßstab hängt von der Pollänge ab. Als Faustregel gilt, dass der Abstand zwischen Maßstab und Sensor eine halbe Polteilung (Länge eines einzigen Pols) betragen kann. Bei Verwendung eines Maßstabes mit 5 mm Polteilung bedeutet dies, dass der Abstand zwischen dem Sensor und dem Maßstab kleiner als 2,5 mm sein soll. Dieser Abstand kann Luft sein, es könnte aber auch jedes paramagnetische Material genutzt werden, beispielsweise die meisten Flüssigkeiten.

Für die magnetische Messung ist kein Sichtkontakt erforderlich. Bei vielen Anwendungen in der Industrie akkumulieren sich jedoch Schmutz, Staub oder Flüssigkeitstropfen auf dem Maßstab. Der Maßstab kann jedoch unabhängig von diesen Störungen trotzdem gelesen werden, da nur das Magnetfeld für den Sensor relevant ist.

Die Herausforderung beim Lesen mit hoher Genauigkeit besteht darin, ein sehr genaues Magnetmuster zu erzeugen, also die Grenzen zwischen dem Nord- und Südpol an der idealen Position exakt zu setzen. Für einen Maßstab mit 2 mm Polteilung, d. h. die Länge eines einzigen Pols beträgt jeweils 2 mm, muss gewährleistet sein, dass es exakt alle 2 mm eine Polgrenze gibt. Eine Messgenauigkeit von 3 µm ist erreichbar.

Das Magnetfeld eines Maßstabs bleibt über die Zeit unveränderlich. Es kann nur verändert werden, wenn ein stärkeres Magnetfeld den Maßstab in Kontakt berührt.

Der Messkopf ist eine Abtastkopf-Einrichtung mit integrierter Elektronik, um den magnetischen Informationen von einem magnetischen Maßstab zu messen und in ein Signal umzuwandeln, das in der angeschlossenen Elektronik verwendet werden kann. Es gibt verschiedene Arten von Messköpfen, die abhängig vom verwendeten Sensor, dem Ausgangssignal (digital oder analog) und dem Umfang der Signalverarbeitung im Abtastkopf sind.

Das Schlüsselelement eines Messkopfes ist der Sensor. Es werden verschiedene Arten von Sensortechnik  verwendet, um das Magnetmuster zu lesen: Hall-Sensoren und magneto-resistive Sensoren. Diese Sensoren wandeln magnetische Informationen in ein elektrisches Signal um, das für eine Bewegungssteuerung oder andere elektronische Steuereinheit verwendet werden kann.

Verschiedene Arten der Sensorik werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt.

Beim Hall-Prinzip wird Strom durch ein dünnes Leiterplättchen getrieben. Wenn das Leiterplättchen von einem magnetischen Fluss durchdrungen wird, ist senkrecht zum Strom und zum Flussdichtevektor eine Spannung messbar, die proportional zur Flussdichte ist. Hall-Sensoren gibt es als schaltende oder lineare Sensoren. Schaltende Hall-Sensoren eignen sich am besten für die Erfassung von Positionen auf einer Skala, während lineare Hall-Zellen einen Ausgang liefern, der über verschiedene Teile einer Skala unterschiedlich ist.

Magneto-resistive Sensoren (MR-Sensoren) nutzen andere Materialeigenschaften. Der Widerstand eines ferromagnetischen Leiters hängt von dem Feldstärkevektor in seinem Inneren ab. Für MR-Sensoren sind bestimmte Materialsorten für die Impulsgeber erforderlich und es sind bestimmte Geometrien einzuhalten. Magneto-resistive Elemente liefern eine Information, die, ähnlich wie bei linearen Hall-Sensoren, weiter interpoliert werden kann.

Das Signal eines Sensors ist nicht optimal. Durch Signalkonditionierung werden die Ausgangssignale des Sensors optimiert, um qualitativ hochwertige Informationen für die Nachfolgeelektronik zur Verfügung zu stellen.

Eine Signalverarbeitung reichert das Signal an und wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um. Analog- bzw. Digital-Wandler verarbeiten das Signal und stellen es für viele verschiedene Ausgänge bereit.

Ein Standardausgang wandelt das analoge Signal in ein Format, bei dem das Signal in zwei um 90 Grad verschobene Rechteckwellen umgewandelt wird, die auf dem A- und B-Kanal der Schnittstelle ausgegeben werden. Die Referenzinformation wird als Z-Kanal geliefert.

Inkrementelle Messköpfe haben RS485 ABZ oder TTL-/HTL-Ausgängen. Absolute Messköpfe sind mit SSI- oder BISS-C-Ausgängen ausgestattet. Die serielle Signalschnittstelle SSI ermöglicht die serielle Bereitstellung von Informationen. Der Sensor liefert serialisierte absolute Positionsinformationen im definierten Binärformat.

Magnetische Messlösungen gibt es für absolute und inkrementelle Messungen.

Rein inkrementelle Systeme zählen die Anzahl der Schritte zwischen zwei Positionen – also zwischen dem Start des Systems und der aktuellen Ist-Position –, wobei Schritte in beide Richtungen gezählt werden können. Der Nullpunkt wird an der Stelle gesetzt, an der das System eingeschaltet wird. Eine Stoppuhr ist ein Beispiel für ein inkrementelles System: Sie zeigt an, wie viele Sekunden (Schritte) seit dem Start der Messung vergangen sind. Das Design rein inkrementeller Systeme ist vergleichsweise einfach.

Eine andere Art inkrementaler Maßstäbe verfügt über eine Referenzmarke, wobei die Referenzposition den Nullpunkt des Systems bestimmt. Inkrementelle Systeme mit Referenz erfordern eine Referenzfahrt, um die Nullposition zu finden und erst danach von dort zu zählen.

Typischerweise basieren Motion-Control-Systeme auf der Inkrementaltechnik. Sie steuern eine Relativbewegung anhand der Eingabewerte.

Bei einem absoluten Messsystem wird ein Absolutsignal erzeugt, bei dem die Position immer eindeutig ist, ohne Referenzfahrt. Ein absolutes Messsystem aus dem Alltag ist die Uhr: sie gibt einen Zeitpunkt in Bezug auf eine allgemeine Referenz an. Für Absolut-Messungen gibt es viele Lösungen.

Der Pseudo-Zufallscode ist eine Erweiterung des Binärcodes für lineare Anwendungen. Anstatt mehrere Spuren parallel zu verwenden, verfügt der Maßstab über eine binäre Kombination, die in jedem Inkrement des Maßstabs anders ausgebildet ist. Typischerweise wird der Maßstab mit der gleichen Anzahl von Bits wie die Anzahl der Sensoren im Messkopf erzeugt.

Es gibt verschiedene Algorithmen, die ein solches Muster erstellen können. Der Pseudo-Zufallscode bestimmt die grobe Position und anschließend wird über eine zusätzliche Inkrementalspur die genaue Position ermittelt.

Dieses Muster verfügt über eine höhere Auflösung als die Anzahl der Sensoren in der Pseudo-Zufallsspur, da die Interpolation der Inkrementalspuren mit diesem Faktor für die Gesamtauflösung multipliziert wird.

Das Nonius System verwendet zwei inkrementelle Spuren mit unterschiedlichen Polzahlen, und somit auch verschiedenen Polbreiten.

Das Nonius-Muster wird mit zwei parallelen Sensorelementen, die jeweils eine Spur lesen, analysiert. Aus der resultierenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Spuren wird die absolute Lage berechnet.

Abseits der gängigen Muster können auch kundenspezifische Wünsche erfüllt werden. Kodiert werden können beliebige Binärdateien mit einer verschiedenen Anzahl an Spuren.

Rotative Systeme für inkrementale als auch absolute Messungen werden für die kontinuierliche oder diskrete Positionierung und Bewegungssteuerung eingesetzt, wie z.B. Kommutierung eines elektrischen Motors. Winkelmesslösungen erfordern spezialisierte Rotationsmessköpfe und aufgabenspezifische Rotationsmaßstäbe.

Rotationsmaßstäbe gibt es in diversen Ausführungen für viele Anwendungsbereiche mit:

• Anbringung des Maßstabs auf dem Flansch, Außen- oder Innendurchmesser
• Codierung einer oder mehrerer Spuren mit beliebigen Pollängen ab 0.5 mm
• Referenzpunkt oder Index in der zweiten Spur als Nullpunkt
• Außendurchmesser von 3 mm bis 2.1 m
• Ferrit (auch verklebt auf Nabe)
• Plastoferrit (mit Ferrit gefüllter Kunststoff)
• Elastomer auf Nabe (mit Ferrit gefülltes Elastomer)
• Vulkanisiertem Gummi auf Nabe (mit Ferrit gefülltes Gummi)
• wahrer Winkelteilung ohne Lücke oder Stoßstelle
• hohe Genauigkeit bis +/- 25 Winkelsekunden

Inkrementale als auch absolute magnetische Linearmesslösungen werden für die kontinuierliche oder diskrete Positionierung, Bewegungssteuerung, wie Kommutierung und andere Lösungen verwendet.

Magnetische Linear-Maßstäbe gibt es mit einer oder mehreren Spuren. Ein Referenzpunkt oder Index, der als Nullpunkt für die Steuerung verwendet werden kann, kann in der zweiten Spur geschrieben werden. Typische Maßstäbe haben Pollängen von 1, 2 oder 5 mm, es gibt aber auch Sondergrößen mit 0.5 oder 2.54 mm und anderen kundenspezifischen Größen.

Standardmäßig besteht ein Linearmaßstab aus einem magnetisierten Elastomer-Band (oder anderen Materialien) in unterschiedlicher Breite (typischerweise 5 bis 25 mm), das auf Edelstahl geklebt ist. Sie sind mit unterschiedliche Pollängen und in jeder beliebigen Länge bis 200 m erhältlich. Die Oberseite der Maßstäbe kann mit einem dünnen Edelstahl als Abdeckband geschützt werden

Die Genauigkeit wird definiert als maximale Abweichung einer Polgrenze von der Idealposition oder auch Grad der Übereinstimmung zwischen dem tatsächlich gemessenen und dem idealen Positionswert und wird in verschiedene Genauigkeitsklassen von +/- 3 bis +/- 100 µm unterteilt.

Auflösung beschreibt den kleinsten messbaren Schritt für das Messsystem. Bei einem inkrementellen Messsystem beschreibt sie die kleinste Differenz in der Position. Für viele absolute Systeme wird die Auflösung in der Anzahl von Bits ausgedrückt, d.h. wie viele 2x Positionen unterschieden werden können.

Präzision ist auch als Wiederholgenauigkeit bekannt. Präzision ist die maximale Differenz der verschiedenen Messergebnisse, wenn ein Tester ein vordefiniertes Testverfahren häufiger anwendet, um die gleiche Position zu erreichen.

Digital gesteuerte Produktionstechnik für magnetische Linear- und Rotationsmaßstäbe erfüllt höchste Anforderungen an Genauigkeit, Präzision und Wirtschaftlichkeit. So können Mustervariationen mit unterschiedlichen Polteilungen und speziellen Mustern produziert oder an andere Maßstabsgrößen und -geometrien angepasst werden.

Als erstes wird das magnetische Muster auf dem Maßstab erzeugt, woraufhin jede Polgrenze gemessen und dahingehend geprüft, ob die Lage der Polgrenzen den Vorgaben entspricht. Sollte dies nicht der Fall sein, wird eine Korrektur berechnet und in einem weiteren Magnetisierungslauf werden alle nicht konformen Polgrenzen korrigiert. Die Polgrenzen werden quasi auf die gewünschte Position verschoben. Die Magnetisierung wird erneut überprüft. Dieser Prozess wird solange wiederholt bis alle  Anforderungen erfüllt sind. So können sowohl Prototypenmengen als auch Großserien wirtschaftlich produziert werden.