Planar Messsystem - Ein Rückblick in die Längenmesstechnik und der Vergleich eines neuen Messprinzips mit bekannten Verfahren

Für die präzise Messung linearer Distanzen oder Bewegungen gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Möglichkeiten. Je nach Anforderungen zum Messbereich und der Genauigkeit werden z. B. Maßbänder, Messschieber oder Mikrometerschrauben verwendet. All diese Messungen beruhen auf dem Vergleich mit einem Messwerkzeug das als Referenz dient.  Die bekannteste Referenz für Längenmessungen ist das Urmeter in Paris. Hiermit wurden fast 2 Jahrhunderte lang alle metrischen Längenmesssysteme verglichen und kalibriert. Im Zuge der internationalen Harmonisierung von Maßen und Gewichten beruht auch das ZOLL neuerdings auf dem Meter.

Bei der automatisierten Messung kommen natürlich nur Messsysteme mit elektronischer Schnittstelle zum Einsatz. Auch sie basieren auf einer Referenz als Maßverkörperung. Bei den elektronischen Messsystemen ist das Spektrum der Ausführungen ebenfalls sehr breit denn auch hier gibt es eine große Vielzahl an Messbereichen, geforderten Genauigkeiten und benötigten Schnittstellen. Hier soll ein neues elektronisches Messsystem vorgestellt und mit bekannten Systemen verglichen werden.

Das einfachste und bekannteste elektrische Längenmesssystem ist das Potentiometer. Es besteht aus einer Widerstandsbahn die von einem Schleifer abgetastet wird. Diese Widerstandsbahn besteht aus einer Drahtwicklung oder bei neueren Potis aus Leitplastik. Die Leitplastikbahn kann zur Steigerung der Genauigkeit mit Lasertrimming nachgearbeitet werden. Bei diesem Lasertrimming wird die Leitplastikbahn mit einem hochgenauen Referenzgeber verglichen und von einem Laserstrahl entsprechend zurechtgeschnitten.

An die Widerstandsbahn wird eine Spannung UB angelegt. Diese Spannung verteilt sich gleichmäßig über die gesamte Länge der Widerstandsbahn. So ergibt sich am Schleifer eine Spannung zwischen 0V und UB je nach seiner Position. Der Vorteil dieses Messsystems ist die Einfachheit im Aufbau. Es kann relativ günstig produziert werden. Der Nachteil ist die Abnutzung der Widerstandsbahn durch den Schleifer. Moderne Potentiometer erlauben 50 -100 Mio. Schleiferspiele. Danach ist die Widerstandsbahn soweit abgenutzt dass eine präzise Messung nicht mehr möglich ist. Die Anzahl der zulässigen Schleiferspiele scheint groß zu sein – aber nur auf den ersten Blick. Denn für die Abnutzung ist es unerheblich ob wirklich eine Messung erfolgt oder ob Vibrationen die Ursache für die Bewegungen des Schleifers sind. Eine Anlage die mit 3 Hz vibriert hat im Dauerbetrieb nach 24h 1/2 Mio. Schleiferspiele erzeugt. Nach weniger als 1 Jahr ist das Potentiometer dann unbrauchbar.

In einer Doppel-Spule bewirkt ein Stößelkern aus Nickeleisen (grün dargestellt) eine Änderung der Induktivitäten. Die Spule hat eine Mittenanzapfung und besteht somit aus zwei Teilen. Der  Nickeleisenkern sitzt mittig in der Spule so dass eine Verschiebung des Stößels die Induktivität beider Spulenteile gegensinnig ändert. Eine anschließende Elektronik misst den Wechselstomwiderstand beider Spulenhälften und erzeugt ein Ausgangssignal das der Verschiebung des Stößels entspricht. Die Spule mit Mittenanzapfung arbeitet nach dem Prinzip einer sog. Halbbrücke. Das Halbbrücken-Prinzip ist in der Messtechnik sehr weit verbreitet. Es liefert zuverlässige Ergebnisse über weite Anwendungsbereiche und erlaubt die Kompensation von Fremdeinflüssen, wie z.B. Temperaturänderungen und Alterungseffekten. Ein Mikroprozessor in der Elektronik erlaubt verschiedene Anpassungen. So kann die Kennlinie linearisiert oder an spezielle Kundenwünsche angepasst werden. Der Ausgangsübertrager kann das Signal in ein Übertragungsprotokoll umsetzen oder einfach nur verstärken.

Das Sensorsystem arbeitet intern berührungslos. Die Stößelstange läuft in dem Gehäuse, eine Berührung ist nicht erforderlich. Seitliche Kräfte können zu einer Berührung des Stößels führen aber sie erzeugen keine Abnutzung die die Messung beeinträchtigen. Das Messprinzip erlaubt das Vergießen des Sensors um seine Festigkeit gegen Vibrationen und Erschütterungen zu verbessern. Planarspulen sind gedruckte Spulen. Sie werden auf eine Leiterplatte als Leiterbahn mit einigen Windungen aufgebracht. Die gewickelte Spule aus Kupferdraht wird dadurch ersetzt. Planarspulen haben weniger Induktivität als gewickelte Spulen. Sie sind kostengünstig herzustellen.

Der Wegaufnehmer erfasst berührungslos und verschleißfrei die absolute Position eines Stößels mit einem induktiven Resonator. Das System besteht aus einer Erregerspule, die einen am beweglichen Stößel befestigten Resonatorschwingkreis zu elektrischen Schwingungen anregt. Diese Schwingungen werden auf die gedruckten Spulen übertragen. Die gedruckten Spulen sind unbeweglich im Gehäuse fixiert. Eine interne Elektronik wertet die Schwingungen nach Amplitude und Phasenlage aus. Da sich Phasenlage und Amplitude der Schwingungen in den gedruckten Spulen nach dem Abstand zur Resonatorspule ändern, kann so die Position des Resonaturspule exakt ermittelt und in ein wegproportionales Signal umgewandelt werden. Das Planarspulen-Messsystem ähnelt dem guten alten Potentiometer und dem induktiven System gleichermaßen.
Durch die gute Reproduzierbarkeit von gedruckten Spulen reicht die Präzision von Messsystemen mit Planarspulen an die Genauigkeit von Präzisionspotentiometern heran.  Die Verschleißfreiheit ergibt eine sehr lange Lebensdauer, wie bei den induktiven Systemen. Somit füllen Messsysteme mit Planarspulen den Bereich zwischen Potentiometern und induktiven Wegmessern aus. Das gilt im Übrigen auch für die Herstellkosten.