Vierfacher Standardschaltabstand – eine technische Herausforderung Mehrstufige Temperaturkompensation bei induktiven Sensoren

Dank moderner Fertigungstechnik und modular einsetzbarer ASICs lassen sich die Näherungssensoren der Serie „HyperProx“ mit vierfachem Standardschaltabstand unter Serienbedingungen herstellen. Angeboten werden zur Zeit Ausführungen im M12-, M8- und D6,5-Gehäuse, die jeweils den so genannten „doppelten Schaltabstand“ des Standardsensors der jeweils nächsthöheren Sensorbauform realisieren. Das heißt beispielsweise, dass ein M12-Sensor der Sensorfamile „HyperProx“ denselben Schaltabstand (8 mm) wie ein M18-Sensor der Reihe „DoubleProx“ hat.

Vierfacher Standardschaltabstand – eine technische Herausforderung

Dank moderner Fertigungstechnik und modular einsetzbarer ASICs lassen sich die Näherungssensoren der Serie „HyperProx“ mit vierfachem Standardschaltabstand unter Serienbedingungen herstellen. Angeboten werden zur Zeit Ausführungen im M12-, M8- und D6,5-Gehäuse, die jeweils den so genannten „doppelten Schaltabstand“ des Standardsensors der jeweils nächsthöheren Sensorbauform realisieren. Das heißt beispielsweise, dass ein M12-Sensor der Sensorfamile „HyperProx“ denselben Schaltabstand (8 mm) wie ein M18-Sensor der Reihe „DoubleProx“ hat.

Optische Sensoren erreichen zwar große Schaltabstände, besitzen aber vor allem im industriellen Einsatz spezifische Nachteile. So stellt die Verschmutzung durch Öle und Schmiermittel eine Begrenzung des Einsatzgebietes dar. Das induktive Sensorprinzip dagegen kann nahezu ohne Einschränkungen in der industriellen Umgebung eingesetzt werden. Die hohe Schutzart IP 67 und auch der breite Einsatztemperaturbereich sind Nachweis für seine Robustheit. Die Präzision der Auswertung und eine intelligente Temperaturkompensation erlauben es, mit kleinen Signaländerungen zu arbeiten, wie man sie sonst nur von Präzisions-Messgeräten kennt.

Bei induktiven Sensoren muss man als Entwickler allerdings auf die zuverlässige Trennung zwischen Nutzsignal und störenden Umwelteinflüssen achten, will man eine eindeutige Messgröße erhalten. In DIN EN 60947-5-2 [1] ist der Schaltabstand für induktive Näherungssensoren festgelegt. Der normgerechte Standardschaltabstand für einen bündig einbaubaren Sensor im M12-Gehäuse beträgt demnach 2 mm. Sensoren mit dem doppelten Schaltabstand bis zu 4 mm bei gleicher Baugröße sind mittlerweile dabei, sich als neuer Standard zu etablieren. Vereinzelt finden sich am Markt auch schon induktive Näherungsschalter, die mit dem dreifachen Standardschaltabstand arbeiten. Balluff wiederum ist der erste Hersteller, der induktive Näherungssensoren mit vierfachem Standardschalt-abstand anbietet. Die Sensoren der „HyperProx“-Familie [2, 3] erreichen in der M12-Ausführung einen Schaltabstand von 8 mm. Für die M8- beziehungsweise D6,5-Versionen liegt dieser Wert bei 4 mm.

Das verbesserte Verhältnis zwischen Schaltabstand und Sensordurchmesser erlaubt die Verwendung dieser Sensorfamilie in vollkommen neuen Applikationen. Auch wenn bewegte Objekte detektiert werden müssen, bringen die größeren realisierbaren Abstände Vorteile. Außerdem können die Sensoren häufig die so genannten Faktor-1-Schalter ersetzen. Nach Untersuchungen in der Praxis ist meist nicht die unterschiedliche Reichweite bei verschiedenen Metallen das Problem bei induktiven Sensoren, sondern ihre zu geringe Reichweite bei Buntmetallen. Aluminium, bei dem mit einem Reduktionsfaktor von ca. 0,4 gerechnet werden muss, ist hierfür ein typisches Beispiel. „HyperProx“-Sensoren mit einem Schalt-abstand von 8 mm bei zu erfassenden Objekten aus ferritischem Stahl erreichen bei Buntmetallen einen Wert von über 3 mm. Die Entwicklung solch leistungsfähiger Sensoren ist allerdings nur mit einer gehörigen Portion Know-how möglich, vor allem bei der Elektronik-Entwicklung und Sensor-Produktion.

Optimierung von Sensorelement und Auswerteelektronik

Das „Herz“ eines jeden induktiven Sensors ist das Sensor-Element. Es besteht im Wesentlichen aus einer Spule mit der Induktivität L und dem Serienwiderstand Rs, zu denen ein verlustarmer Kondensator C parallel geschaltet wird [4, 5]. Der daraus resultierende Resonanzkreis ist an eine Oszillatorelektronik angeschlossen, die die Reduzierung der Schwingkreisgüte durch das zu detektierende metallische Objekt in eine Änderung der Oszillatorausgangsspannung umsetzt [6]. Jeder Versuch, die Leistungsfähigkeit des Sensors zu verbessern, also den Schaltabstand zu vergrößern, muss hier ansetzen. Spule und Ferritkern müssen so optimiert werden, dass durch die Form der Feldlinien auch bei großem Abstand zum Bedämpfungselement die Änderung des magnetischen Flusses auswertbar ist und zum Ansprechen des Sensors führt [7]. Die besondere Herausforderung liegt darin, dass sich der magnetische Fluss nicht proportional zur Entfernung vom Bedämpfungselement ändert, sondern stark überproportional abnimmt (Bild 1).

Da die Eigenschaften des Sensorelements jedoch von einer Vielzahl elektrischer und mechanischer Variablen bestimmt werden, ließ es sich nicht allein durch praktische Versuche im erforderlichen Maße optimieren. Ein Vorgehen gemäß der Methode „Versuch und Irrtum“ würde jeden akzeptierbaren zeitlichen und finanziellen Rahmen sprengen. Eine wichtige Grundlage für die Entwicklung lieferten deshalb leistungsfähige Simulationsverfahren, die alle für die Analyse, Modellierung, Synthese und Optimierung des Sensorelements relevanten Parameter berücksichtigen können. Dadurch und mit viel Erfahrung ließen sich innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit Materialien und Geometrien von Spule, Ferritkern und Sensorgehäuse so optimieren, dass die Sensoren auch beim vierfachen Standardschaltabstand zuverlässig und präzise arbeiten. Die im größten Teil des Erfassungsbereichs an-nähernd lineare Änderung der Spulengüte in Abhängigkeit von der Entfernung des Bedämpfungselements kommt auch den messenden Analogsensoren zugute.

Ein Problem jeder Präzisionselektronik sind die Toleranzen aller verwendeten Bauteile. Bei „HyperProx“-Näherungssensoren ist dieses Problem nur durch Eingrenzung der Toleranzen nicht zu lösen. Die Auswerteelektronik dieser Sensoren wird deshalb in einem letzten Produktionsschritt mit einem patentierten Teach-in-Verfahren [8, 9] durch die individuelle Bestimmung des Erregerstroms für das Sensorelement abgeglichen. Dadurch werden die Bauteiletoleranzen kompensiert. Der Abgleich ist auch in der endgültigen Applikation möglich, indem man den Sensor über die Versorgungsleitungen im beschriebenen Teach-in-Verfahren [10] programmiert: Ein Startbefehl einer Programmiereinheit initiiert eine schrittweise Veränderung eines im ASIC integrierten Abgleichwiderstands. Dieser wird solange in- bzw. dekrementiert, bis sich der Schaltzustand des Sensorausgangs aufgrund des variierenden Signals der Auswerteelektronik ändert.

Durch die Optimierung von Sensorelement und Oszillatorschaltung ergeben sich für große Schaltabstände Signalhübe, die im Bereich von 1 % liegen (Bild 2). Dies ist im Vergleich zu Normsensoren, bei denen der typische Wert bei ca. 20 % liegt, ein sehr geringer Wert. Diese kleinen Signalhübe, wie sie normalerweise bei Messgeräten bei Raumtemperatur verarbeitet werden, sind auch unter industriellen Randbedingungen auswertbar. Im industriellen Einsatz, der einen breiteren Temperaturbereich erfordert, ist dazu eine leistungsfähige, genaue Temperaturkompensation notwendig, denn die Signaldrift dQT, die durch Temperaturänderung im zulässigen Arbeitsbereich entsteht, ist mit ca. 3 % dreimal so groß wie das eigentliche Messsignal.

Dies muss bereits bei der Anpassung des Sensorelements an die Oszillatorschaltung berücksichtigt werden. Die heute überwiegend eingesetzten, aus Kupferdraht oder Kupferlitze gewickelten Spulen liefern primär aufgrund des Basismaterials Kupfer einen erheblichen Anteil zum Gesamttemperaturgang des Systems (ca. 40 % Widerstandsänderung über 100 K). Bei der Auswahl der Schwingkreis-Resonanzfrequenz muss man beachten, dass der Verlauf des Resonanzwiderstandes Rp des Schwingkreises als Funktion der Temperatur stark frequenzabhängig ist. Diese geeignete Auslegung und Dimensionierung des Sensorelements wird als erste Stufe TEMPKO 1 der Sensortemperaturkompensation bezeichnet (Bild 3).

Eine entsprechende Bauteileauswahl und Konstruktion genügen jedoch nicht, um unter den gegebenen Bedingungen eine praxisgerechte Tempera-turstabilität der Sensoren zu gewährleis-ten. Deshalb wurden auf einem ASIC, auf dem auch die Oszillatorschaltung untergebracht ist, ein Temperaturfühler und eine aktive Temperaturkompensation integriert. Diese zweite Stufe TEMPKO 2 der Temperaturkompensation besteht im Prinzip aus drei voneinander unabhängigen, temperaturgesteuerten Widerstandsnetzwerken [5]. Durch eine gewichtete Addition der jeweiligen Ausgangsströme lässt sich der Temperaturgang des Oszillator/Demodulator-Ausgangssignals und dadurch der Auswerteelektronik nahezu vollständig kompensieren. Um die Gewichtung festzulegen, wird eine typspezifische Sollwertkurve ermittelt und durch die Widerstände im Netzwerk nachgebildet. Damit lassen sich, anders wie bei sonst üblicher Kompensation mit NTC- und PTC-Widerständen, nahezu alle relevanten Verläufe des Kompensationsstroms Ik realisieren (Bild 4).

Durch die beschriebenen Kompensationsverfahren (Stufen TEMPKO 1 und 2) ist es gelungen, das Temperaturverhalten der Auswerteelektronik wesentlich zu verbessern. Für ein Sensorsystem mit einer ausreichenden Stabilität der resultierenden Schaltpunkte mussten die Temperatureigenschaften aber insgesamt weiter optimiert werden (Bild 3).

Der Einschaltpunkt eines induktiven Näherungssensors wird durch einen Komparator bestimmt. Die Eingangssignale dieses Komparators sind einerseits eine der Oszillatoramplitu-de proportionale Gleichspannung UOSZ und ande-rerseits die so genannte Komparatorschaltschwelle USCH. Die dritte Stufe der Tempe-raturkompensation TEMPKO 3 wirkt über diese Schaltschwelle [5, 10, 11, 12]. Abhängig von der im Sensorinneren in Spulennähe gemessenen Temperatur wird der Spannungs-wert dieser Schaltschwelle korrigiert (Bild 5). Dazu werden nach der Endmontage für jeden Sensor Korrekturwerte für die Temperaturkompensation in einer Zuordnungstabelle in einem Sensor-ASIC hinterlegt. Programmiert wird dieses ASIC ebenfalls über die Versorgungsleitungen. Im praktischen Betrieb adressiert der integrierte Temperatursensor jeweils den entsprechenden Speicherplatz der Zuordnungstabelle, die den Korrekturwert für den realen Schaltabstand ausgibt.