Positionierung für OP, Station & Pflege
GMR-Sensoren in Seillängengebern positionieren Medizintechnik präzise
Operationsroboter, Patientenliegen, Beatmungsgeräte – in der Medizintechnik müssen Positionssensoren absolut zuverlässig und wartungsarm sein. Warum Seillängengeber mit True-Power-On-Multiturn-Sensoren auf GMR-Basis dabei wichtig für die Präzision sind.
Wenn ein Operationstisch seinen Patienten millimetergenau positioniert, eine motorisierte Patientenliege im MRT-Tunnel exakt stoppt oder ein Rehabilitationsroboter Bewegungsabläufe reproduzierbar führt, steckt dahinter eine oft unterschätzte Kerntechnologie: die präzise Wegmessung. Seillängengeber gehören zu den kompaktesten und robustesten Lösungen für diese Aufgabe – und erfahren durch eine neue Generation von Multiturn-Sensoren auf Basis des GMR-Effekts (Giant Magneto Resistance) ein entscheidendes Upgrade. Kein Batterieverschleiß, kein Kalibrieren nach Neustart, kein Wartungsaufwand: Das sind Eigenschaften, die in der Medizintechnik nicht nur komfortabel, sondern sicherheitsrelevant sind.
Ein Seillängengeber wandelt die lineare Position eines Messseils in ein elektrisches Messsignal um – kompakt genug für den Einbau in motorisierte OP-Tische, Patientenlagerungssysteme oder Rehabilitationsgeräte. Gezeigt: a) Kit-Sensor-Variante.
Ein Seillängengeber ist ein Messsystem, das die lineare Bewegung eines Messseils in ein elektrisches Messsignal umwandelt (Bild 1). Dazu ist das Messseil, das meist aus Edelstahl besteht, auf eine Trommel gewickelt. Wird das Seil herausgezogen, dreht sich die Trommel. Die gemessene Länge ist proportional zur Umdrehung der Trommel. Ein Federmechanismus sorgt beim Wiedereinziehen des Seiles dafür, dass es stets einlagig aufgewickelt wird. Die Drehbewegung wird von einem gekoppelten Drehgeber in ein elektrisches Signal gewandelt. Die resultierenden Messwerte geben präzise Aufschluss über die Position des Messseiles und abgeleitet die Geschwindigkeit der Bewegung des Seils.
Bild 1b) MC1-Sensorvariante.
Einsatzfelder für Seillängengeber
Durch dieses Bauprinzip lassen sich Seillängengeber sehr kompakt aufbauen und können dennoch über verhältnismäßig große Weglängen präzise messen. Sie sind einfach zu montieren, funktionsbedingt robust und vielseitig und auch in schmutzigen und rauen Umgebungen einsetzbar. Dadurch eignen sie sich für zahlreiche Anwendungsfälle. In Industrie und Maschinenbau messen sie zum Beispiel Ausfahrwege bzw. Positionen von Hubarbeitsbühnen oder Kränen und helfen bei der präzisen Achsvermessung in Portal- und Werkzeugmaschinen. In mobilen Arbeitsmaschinen empfehlen sich die robusten Messsysteme wegen der rauen Arbeitsbedingungen – große Temperaturunterschiede, Vibrationen und Schmutz sind hier an der Tagesordnung. Prüfstände und Simulatoren für Luft- und Raumfahrt profitieren von Seillängengebern ebenso wie die Gebäude- und Bühnentechnik. Auch in der Lager- und Fördertechnik finden sich Einsatzbereiche, zum Beispiel in Regalbediensystemen.
Auch in der Medizin- und Rehabilitationstechnik sind Seillängengeber längst etabliert. Typische Einsatzorte sind motorisierte Patientenlagerungssysteme und OP-Tische, bei denen Tischplatten, Beinteile oder Kopfstützen präzise und reproduzierbar in vorgegebene Positionen gefahren werden müssen. In Beatmungs- und Infusionsgeräten sorgen sie dafür, dass Kolben- oder Schlauchpumpen die eingestellte Fördermenge zuverlässig einhalten. Rehabilitationsroboter und Exoskelette nutzen Seillängengeber zur Wegerfassung in den Gelenk- und Antriebsmechanismen – hier ist die Kombination aus kompakter Bauform, hoher Auflösung und absolutem Messwert nach Spannungsunterbrechung besonders wertvoll.
Anforderungen an die Messtechnik
Wegen der mehrfachen Umdrehung der Trommel beim Abwickeln des Messseils sind Seillängengeber der ideale Einsatzort für Multiturn-Sensoren. Allerdings kommen verschiedene der heutigen Sensorvarianten aufgrund der hohen Anforderungen je nach Anwendungsfall an ihre Grenzen. Kostengünstige Mehrgang-Potentiometer beispielsweise bieten häufig nicht die geforderte Genauigkeit und Lebensdauer. Für Seillängengeber, die kompakt bauen sollen, sind optische Encoder meist zu teuer und zu groß. Getriebelösungen wiederum scheiden aus, weil sie verschleißbehaftet und damit wartungsintensiv sind.
In der Medizintechnik verschärfen sich diese Anforderungen noch einmal: Potentiometer scheiden wegen ihres Verschleißes und der damit verbundenen Partikelentwicklung aus – in Reinraum- oder sterilen Umgebungen ein K.O.-Kriterium. Batteriegepufferte optische Encoder wiederum sind in Geräten mit langen Standby-Phasen, wie etwa selten genutzten Notfallgeräten, ein latentes Zuverlässigkeitsproblem. Genau hier spielt das True-Power-On-Prinzip seine Stärken aus: Die Sensorik merkt sich Positionsveränderungen auch im stromlosen Zustand – und ist nach dem Einschalten sofort einsatzbereit, ohne Referenzfahrt.
Seillängengeber kommen für die exakte Positionierung in Medizingeräten wie OP-Robotern, Patientenliegen oder Beatmungsgeräten zum Einsatz.
Hier kann die neue Generation von Multiturn-Sensoren aus dem Hause Novotechnik zum Problemlöser werden (Bild 2). Sie basiert auf dem GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance Effect). Dieser wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen (Bild 3). Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt; er ist bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung. Dieser Unterschied kann genutzt werden, um mithilfe eines speziell designten Sensorelementes mit mehreren Widerstandssegmenten Umdrehungen zu erfassen und gleichzeitig zu speichern, und beides sogar im stromlosen Zustand („True Power-On"). Lediglich für die Ausgabe des Messwerts über analoge oder digitale Schnittstellen wird die Versorgung benötigt.
Funktionale Schichtstruktur eines GMR-Sensors: Der elektrische Widerstand hängt von der gegenseitigen Magnetisierungsrichtung der Schichten ab. Entscheidend für die Medizintechnik – Positionsveränderungen werden auch im stromlosen Zustand erfasst, der Messwert steht nach dem Einschalten sofort zur Verfügung, ohne Referenzfahrt.
Neue GMR-Sensoren
Die neuen Multiturn-Sensoren liefern auf Basis des GMR-Effekts den Drehwinkel der Trommel in Kombination mit dem nicht flüchtigen Umdrehungszähler als absolute Positionswerte über mehrere Umdrehungen mit hoher Auflösung als lineares Signal. Die Sensoren arbeiten komplett berührungslos, sind daher verschleißfrei und benötigen dank GMR-Technologie keine Pufferbatterien. Der Messwert steht bei diesem echten »True Power-on«-System sofort nach dem Start zur Verfügung. Verdrehungen innerhalb des Messbereiches von 44 Umdrehungen werden auch im stromlosen Zustand erfasst. Angeboten werden die Sensoren in verschiedenen Bauformen. Wo die Platzverhältnisse besonders beengt sind, eignet sich der MZ1-2200 mit einem Gehäusedurchmesser von gerade einmal 22 mm und Zentralbefestigung zur einfachen Montage. Der MC1 2800 hat einen Gehäusedurchmesser von 30 mm und wird wahlweise mit Steckkupplung oder indexierter Welle angeboten. Für raue Umgebungsbedingungen empfiehlt sich die Baureihe MB1-3600 mit einem Gehäusedurchmesser von 36 mm. Alle Baureihen können aufgrund ihrer Schutzart von außen am Seillängengeber montiert werden.
Die Kit-Variante wird direkt auf das Wellenende der Trommel gesteckt und über zwei Befestigungslaschen justiert – ideal für OEM-Integrationen in Medizingerätegehäuse, wo aus Hygiene- und Designgründen keine außenliegenden Sensorköpfe erwünscht sind.
Für kostenoptimierte Projekte und OEMs ist die Kit-Lösung (Bild 4) interessant, zum Beispiel auch zur Integration in das Seillängengebergehäuse. Diese Lösung reduziert den Sensor auf seine Grundkomponenten und auf einen minimalistischen Adapter, der die Sensorkomponenten miteinander verbindet. Der Sensor kommt ohne Welle aus, stattdessen wird der integrierte Positionsgeber direkt auf das Wellenende der Trommel gesteckt und mechanisch z. B. durch zwei Befestigungslaschen mit Langlöchern justiert. Das reduziert Größe, Kosten und Gewicht und eignet sich auch bei anderen Anwendungen, in denen ohnehin eine Haube oder ein Gehäuse um das fertige Produkt gebaut wird. Insbesondere die Kit-Variante eignet sich daher ideal für die Integration in Seilzugsystemen.
EMV, Schnittstellen und Schutzarten
Alle Bauvarianten messen magnetisch und kontaktlos, arbeiten daher verschleißfrei und haben eine hohe Lebensdauer. Messen lässt sich ein elektrischer Nutzwinkel von 15.840° (das entspricht 44 Umdrehungen). Pro Umdrehung haben die Sensoren eine Auflösung von bis zu 16 Bit. Als echte True-Power-On-Systeme bleiben die Positionen der Sensoren bei Spannungsausfall erhalten und Umdrehungen werden auch stromlos erfasst. Dabei sind die Sensoren auch noch ausgesprochen genau: Über den gesamten Messbereich liegt die Linearitätsabweichung unter ±1°. Sie sind optimiert für den Einsatz in mobilen Anwendungen mit höchsten EMV-Anforderungen (Störfestigkeit bis 30 V/m gemäß ISO 11452-5).
Um ein breites Anwendungsspektrum abdecken zu können, werden die Multiturn-Sensoren mit diversen Schnittstellen angeboten. Einerseits gibt es verschiedene analoge Schnittstellen, andererseits diverse digitale wie IO-Link, CANopen, CAN J1939, SPI oder SENT (Single Edge Nibble Transmission). Gerade die digitalen Schnittstellen ermöglichen zusätzliche Smart-Sensor-Funktionalitäten zur Zustandsüberwachung wie Statistikdaten zu Temperatur, Betriebszeit, Versorgungsspannung und Laufleistung.
IO-Link unterstützt MDR-Dokumentation
Für Medizingeräte-Hersteller ist insbesondere die IO-Link-Schnittstelle interessant: Sie vereinfacht die Parametrierung im Fertigungsprozess und ermöglicht die Zustandsüberwachung – beides relevant für die Dokumentationspflichten unter der EU-Medizinprodukteverordnung (MDR). Die Kit-Variante wiederum eignet sich für OEM-Integrationen in Gerätegehäuse, wie sie im Medizinproduktebereich aus Hygiene- und Designgründen üblich sind.
Die Sensoren sind einfach zu integrieren. Aufgrund der absoluten Messung sind weder Kalibrierung noch Referenzfahrten notwendig. Sie werden angeboten in Schutzarten IP54 bis IP67. Die hohe Performance, die die Multiturnsensoren auf engstem Raum bieten, gepaart mit ihrer Verschleißfreiheit und flexibler Kommunikation über vielfältige Schnittstellen empfehlen sie für den Einsatz in Seillängengebern – aber auch in vielen anderen Anwendungen, in denen auf engstem Raum über mehrere Umdrehungen Drehwinkel äußerst präzise gemessen werden müssen. (uh)
