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Smiley ganz einfach so.:(etwas länger)
Auszüge aus Pressemeldungen von Novotechnik

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Das magnetostriktive Messprinzip

Sie arbeiten nach dem Novostriktive-Verfahren, das das Prinzip der Magnetostriktion mit einer neuartigen Auswertung kombiniert. Im Wesentlichen bestehen die Wegaufnehmer aus drei Einheiten: dem Wellenleiter, der Auswerteelektronik und dem Positionsgeber. Der Messvorgang wird durch einen kurzen Stromimpuls ausgelöst. Der Stromimpuls erzeugt um den Wellenleiter ein zirkulares Magnetfeld. Senkrecht dazu verlaufen die Feldlinien des Positionsgebers, der im Wellenleiter die Messposition markiert. An der Überlagerungsstelle der beiden Magnetfelder entsteht im Wellenleiter eine elastische Verformung, die Magnetostriktion. Die reversible Dimensionsänderung löst einen mechanischen Impuls aus, der sich im Wellenleiter als Torsionswelle mit einer Geschwindigkeit von etwa 2800 m/s fortpflanzt. An einem Ende des Wellenleiters wird die Torsionswelle in ein elektrisches Signal umgesetzt, am anderen gedämpft, so dass es zu keinen Überlagerungen bei nachfolgenden Messungen kommt. Die Laufzeit vom Entstehungsort bis zum Signalwandler ist direkt proportional zum Abstand zwischen Positionsgeber und Signalwandler. Die Messzeit ist zwischen dem Messauslösung-Impuls und dem elektrischen Signal der Torsionswelle definiert.

Linearisierung und Plausibilitätsprüfung

Bei dem neuen Wegaufnehmern hat man besonderen Wert auf die interne Messwertverarbeitung gelegt und hier neue Maßstäbe gesetzt. Den Schlüssel dazu liefert ein komplexer ASIC (Bild 2), der die komplette Signal- und Datenaufbereitung übernimmt. Die Messzeit wird mit einer sehr hohen Auflösung (195 ps) digitalisiert. Den Positionswert errechnet die Elektronik aus dem Wert der digitalisierten Messzeit und der Geschwindigkeit der Torsionswelle. Der ermittelte Positionswert wird auf Plausibilität überprüft und entsprechend der Schnittstelle aufbereitet. Linearisiert wird durch den direkten Eingriff in die Messauslösung der Magnetostriktion.

Auf einer sehr genauen Messbank mit einem Laserinterferometer als Referenzmaß werden die Linearitätsabweichungen ermittelt und in einer Linearisierungstabelle im Wegaufnehmer gespeichert. Die Linearisierungstabelle korrigiert jedoch nicht den ermittelten Positionswert, sondern beeinflusst die Messauslösung, d.h. die Erzeugung der Torsionswelle. Die Positionswerte werden mit einem komplexen Verfahren aufbereitet, dabei wird eine Datenaktualisierungsrate von 16 kHz bzw. 62,5 µs erreicht. Als Ausgangswert stellt die integrierte ASIC-Elektronik standardisierte Ausgangssignale, formatiert für die unterschiedlichen Schnittstellen, zur Verfügung.

Das magnetostriktive Messprinzip selbst ist nicht neu. Es basiert auf der Interaktion zweier Magnetfelder, durch die ein mechanischer Torsionsimpuls in einem Draht erzeugt wird. Aus der Laufzeit des Torsionsimpulses wird die Messstrecke berechnet. Nachteil dieser Einfachmethode ist der Draht selbst. Auch mit präzisesten Fertigungsmethoden schwanken die Schalllaufzeiten von Charge zu Charge. Deshalb musste bisher für jeden Sensor ein Mittelwert der Laufzeit für die Berechnung des Messwertes mitgeliefert werden. Ein neues Verfahren bei der Auswertung erlaubt nun die Berechnung und Normierung der Geschwindigkeit der Torsionswelle; dies ermöglicht unterschiedliche Drähte im Sensor selbst zu verarbeiten und sogar verzerrende Fehlstellen innerhalb des Drahtes zu berücksichtigen. Das bringt zum einen einen erheblichen Zugewinn bei der Genauigkeit und zum andern steht damit an der Schnittstelle zur Außenwelt immer ein normiertes Signal zur Verfügung.

Altbekanntes...

Um den Weg, den Novotechnik bei dem neuen TLM Sensor beschritten hat zu verstehen, muss man sich das Funktionsprinzip eines magnetostriktiven Sensors vor Augen halten: Der Sensor besteht aus einem langen Draht, der zwischen dem Sensorelement und einer dämpfenden Endbefestigung gespannt ist. Das Gehäuse um den Draht und die Aufspannung ist rundum verschlossen. Der eigentliche Positionsgeber ist ein separater Magnet, der außerhalb des Gehäuses auf dem beweglichen Maschinenteil angebracht ist. Wird nun von der Sensorelektronik ein kurzer Spannungsimpuls durch den Draht geschickt, so bildet sich um den Draht ein zirkulares Magnetfeld aus (Bild 1). Dieses Magnetfeld trifft dann auf das senkrecht dazu ausgerichtete Feld des Positionsgebermagneten. An diesem Schnittpunkt wird durch die Wechselwirkung beider Felder ein Torsionsimpuls im Messdraht ausgelöst. Dieser Impuls läuft mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 2800 m/s in dem Messdraht zum Sensor und kann ausgewertet werden. Aus der Zeit, die vom Aussenden des Spannungsimpulses bis zum Eintreffen des Torsionsimpulses vergeht, kann man sehr genau auf die Entfernung des Positionsgebers vom Sensorempfänger schließen. Ein Hauptvorteil dieser Methode ist neben der geschlossenen Ausführung auch die geringe Temperaturdrift, die im Bereich von 20 ppm/K liegt.

...und neue Wege

Um nun die prinzipiellen Nachteile des bewährten Sensorprinzips zu umgehen, setzten die Entwickler auf moderne Elektronik. Da es keine ideale Materie und damit auch keine optimalen Messdrähte gibt, muss man in der Praxis mit den bestehenden Fehlern leben. Mit einem eigentlich lange bekannten Ansatz kann man trotzdem die Messgenauigkeit und Messfrequenz enorm steigern. Ein einfaches Beispiel aus dem Rallyesport soll die Vorgehensweise verdeutlichen: Die dort gefahrenen Geschwindigkeiten sind nicht nur den schnelleren Reaktionen der Fahrer zuzuschreiben, sondern vor allem seinem Beifahrer. Dieser liest dem Fahrer während der Fahrt immer die Beschreibung der Straße vor, die im nächsten Moment "unter die Räder" kommt. So kann er schon vorbeugend reagieren, ohne den eigentlichen Straßenverlauf zu sehen. Ähnlich arbeitet die integrierte Elektronik im neuen Sensor.

In einer integrierten Tabelle sind alle Unzulänglichkeiten des Drahtes gespeichert. Da die Elektronik aus der Bewegungsrichtung des Positionsgebers weiß, welche Drahtstelle als nächstes angefahren wird, kann der in einer Tabelle gespeicherte Korrekturwert sofort in die Berechnung einbezogen werden. Dies geschieht "vorbeugend" durch Beeinflussung des Auslöseimpulses für den nächsten Messvorgang. Damit stehen ohne Zeitverzögerung normierte Laufzeitsignale über die gesamte Länge des Drahtes bereit. Durch diese Vorgehensweise ensteht für die Messung quasi ein virtueller idealer Messdraht. Die Linearität der TLM-Wegaufnehmer liegt dabei ab 500 mm Messlänge mit +-30 µm (0,01 %) um den Faktor drei höher wie bei den bisher üblichen Verfahren mit +-100 µm (0,02 %).

In der Praxis

In der Fertigung wird jeder einzelne Sensor auf einer hochgenauen Messbank mit Laserinterferometer als Referenzmaß vermessen (Bild 2). Der Messdraht wird abgefahren und die nötigen Korrekturwerte für jeden Messpunkt individuell im Sensor abgelegt. Alle Fehler im Drahtgefüge lassen sich so zuverlässig korrigieren. Nach Außen hin liefert die so kalibrierte Elektronik immer exakt normierte Werte aus. Die bisher übliche Eingabe von Korrekturfaktoren beim Sensortausch ist damit überflüssig.

Die Rechenleistung des im Sensor integrierten Prozessors kann man neben der Linearisierung auch für eine verbesserte Positionswertaufbereitung (Datenaktualisierungsrate und dynamisches Verhalten) nutzen. Da die Torsionswelle im Draht eine Laufzeit benötigt, entsteht funktionsbedingt eine gewisse Totzeit, in der kein Signal erfasst werden kann. Die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit des Positionsgebers ist aber aus den vorherigen Messungen bekannt, daher kann der ASIC auch Zwischenwerte extrapolieren. Aufgrund der Masseträgheit der bewegten Maschinenteile ist eine so vorhergesagte "Zwischenposition" mit sehr großer Genauigkeit möglich. Damit erhöht sich die Genauigkeit des Sensors noch mal gegenüber herkömmlichen Ausführungen.

Der Geber ist in der Praxis sehr leicht zu handhaben. Er wird einfach in das bewegte Maschinenteil integriert, für die mechanische Justierung reicht dank der überbrückenden Wirkung des Magnetfeldes oft das Augenmaß aus, da die Montagetoleranz mit +- 2 mm recht groß ist. Falls gewünscht, können die Wegaufnehmer auch mit mehreren Positionsgebern arbeiten. Die neuen Wegaufnehmer bieten bei Nutzlängen bis 4,5 m eine längenunabhängige Auflösung von 5 µm. Sie sind unempfindlich gegen Schock und Vibration und entsprechen der Schutzart

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