Zweite 3D-HAL-Sensor-Generation von Micronas
Hall-Sensoren für Automotive und Industrie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Typische Industrieanwendungen
Sensormodule mit integrierten 3D-HAL-Sensoren eignen sich für zahlreiche Anwendungen im Automobil und in der Industrie, wo sie Drehpotenziometer, lineare Potenziometer-Sensoren und optische Encoder ersetzen können.
Berührungslose Winkelpositionssensoren
Mit Hilfe der 3D-HAL-Sensoren können kontaktlose Winkelpositionssensoren designt werden, um Drehpotentiometer zu ersetzen, zum Beispiel im Bereich Transport, in Fertigungsmaschinen oder in Consumer-Produkten. Dazu zählen Joystick-Anwendungen, Pedale und Drosselklappen, Tastschalter, Hebel, Lenkung und mechanische Kupplungen.
Industrieller Joystick
Joysticks werden in der Industrie in der Fördertechnik und für mobile Ausrüstungen, in Nutz- und Spezialfahrzeugen und für sicherheitskritische Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet. Im Vergleich zur Potenziometer-basierten Technologie hat die kontaktlose Sensortechnologie auf 3D-HAL-Basis für die Joystick-Anwendungen enorme Vorteile. Zum Beispiel gibt es keine beweglichen Teile, die sich im Laufe der Zeit abnutzen können. Des Weiteren bestehen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen sowie ein höherer Schutz gegen das Eindringen von Staub und Flüssigkeiten, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Anwendung erhöht. Außerdem ist die neue Sensorfamilie unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und Luftspaltänderungen zwischen Magnet und Sensor. Der Sensor wird am Ende der Fertigungskette kalibriert. Dadurch werden mechanische Toleranzen kompensiert und damit sinken auch die Gesamtkosten für die Anwendung.
Drosselklappen-Sensor in Nutz- und Spezial-Fahrzeugen
Der Drosselklappen-Sensor erfasst die Stellung bzw. den Winkel der Drosselklappe und leitet diese Informationen an die Motorsteuerungseinheit weiter. Dort wird aus den Informationen das richtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis für den Verbrennungsmotor errechnet. In Nutz- und Schwerlastfahrzeugen ersetzen die Sensoren der HAL-37xy-Familie Potentiometer-basierte Drosselklappen-Sensoren. Mit der Lebensdauer des Sensors steigt dabei auch die Zuverlässigkeit der Anwendung, gleichzeitig sinken die Emissionen. Die Potenziometer-basierte Lösung mit Mehrfachmetallbürsten zeigt nach einiger Zeit Anzeichen von Verschleiß, was in Änderungen des Widerstandwertes resultiert. Dies führt letztendlich zur Abweichung vom idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Berührungslose Linear-Positionssensoren
Mit Hilfe der HAL-37xy-Sensorfamilie lassen sich kontaktlose Linear-Sensoren realisieren, die lineare Potenziometer, Differenzialtransformatoren und optische Encoder in einem breiten Spektrum von Industrieanwendungen überflüssig machen. Dazu zählen die Positionsüberwachung von elektrohydraulischen Proportionalventilen, hydraulische und pneumatische Zylinder-Positions-Sensoren, Inspektionsmaschinen bei OEMs, Füllstandmessungen in hydraulischen Systemen sowie Klappenpositionssensoren in Klimaanlagen (HVAC).
Das Prinzip der Linearisierung mit Hilfe des von Micronas entwickelten Algorithmus
Beispiel 1: Kontaktlose Linear-Positionssensoren in elektrohydraulischen Proportionalventilen: Lineare Positionserfassungsmodule ersetzen Differentialtransformatoren (LVDT) oder widerstandsbasierte Linear-Sensoren. Sie werden beispielsweise verwendet, um die Kolbenposition eines elektrohydraulischen Proportionalventils in Baumaschinen oder in der Automatisierungstechnik zu bestimmen. Die Messergebnisse werden typischerweise in einem geschlossenen inneren Kreislaufsystem verarbeitet, das fortlaufend die Stellung des Steuerkolbens korrigiert. Somit können die Reaktionszeit verkürzt und Hysterese-Effekte des Steuerventils vermindert werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen LVTD-Lösungen bieten lineare Sensormodule mit 3D-HAL-Sensoren einige Vorteile: Sie verfügen über eine geringere Baugröße und über die Möglichkeit zur Programmierung von Offset und Empfindlichkeit, zudem sind sie unempfindlicher gegenüber Luftspaltvariationen, die durch mechanische Toleranzen verursacht werden und verfügen über eine Temperaturkompensation. Die Gesamtgenauigkeit beträgt 1,5 % über einen Temperaturbereich von -40 bis +150 °C und unter hydraulischem Druck. Im Gegensatz zu widerstandsbasierten Linear-Sensoren können verschleißbedingte Fehlfunktionen bei den Sensoren der HAL-37xy-Familie nicht auftreten.
Beispiel 2: Kontaktlose Linear-Sensoren zur Messung von Klappenstellungen in HVAC-Systemen: Elektrisch angetriebene Klappen besitzen Lamellen, deren Stellung sich steuern lässt. Durch eine offene, geschlossene oder halboffene Position kann der Luftstrom durch die Klappe gesteuert werden. Kontaktlose Linear-Positionssensoren und Potenziometer konkurrieren in dieser Anwendung häufig miteinander. Weil das Potenziometer in direktem Kontakt mit der Anwendung steht, entstehen Nachteile, wie eine schlechtere Reproduzierbarkeit der Messwerte und eine ausgeprägtere Hysterese. Das Ausgangssignal wird aufgrund von Verschleißerscheinungen der Kontakte beeinträchtigt, insbesondere bei andauernden Vibrationen. Unter schwierigen Betriebsbedingungen wie starken Erschütterungen und extremen Temperaturen kann es bei mechanischen Kontakten sogar zur Unterbrechung des Stromkreises kommen.
Hier spielen die HAL-37xy-Sensoren zur linearen Positionsbestimmung wieder ihre Vorteile aus: Sie messen berührungslos, sind vielseitig einsetzbar, extrem robust und arbeiten zuverlässig in rauen Umgebungen. Ihr kontaktloser Betrieb ermöglicht eine höhere Reproduzierbarkeit der Messwerte sowie Auflösung und sorgt so für eine Kostenersparnis bei Wartung und System-Anpassungen über die gesamte Lebensdauer von motorgetriebenen Klappen.
Fazit
Die neue 3D-HAL-basierte Sensorfamilie HAL 37xy eignet sich zur linearen Positionserkennung bis zu 40 mm und für Winkelmessungen bis 360 Grad. In diesen Anwendungen ersetzen die Sensoren dank ihres kontaktlosen Messprinzips herkömmliche Drehpotenziometer-Sensoren, lineare Widerstandslagesensoren und Differentialtransformatoren. Nicht zuletzt punkten sie mit einer im Vergleich zu den anderen Verfahren überlegenen Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.
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