Neigungssensoren Damit nichts schiefläuft

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SMC Deutschland GmbH

ipf electronic gmbh

Die präzise Messung des Neigungswinkels bzw. Überwachung der Neigungsrichtung ist in vielen Bewegungsabläufen in der Industrie und insbesondere bei der Steuerung von mobilen Maschinen bzw. Fahrzeugen zwingend notwendig. Doch auf welchen Funktionsprinzipen basieren Neigungssensoren und wo liegen ihre Potenziale in konkreten Anwendungen?

Neigungssensoren dienen zur absoluten Winkel- und Lageerfassung und messen den Winkel eines Objektes in Bezug zur Erdschwerkraft. Das Einsatzspektrum solcher Geräte ist daher vielfältig, z. B. an Kranen, Hebebühnen, Land- und Baumaschinen, aber auch Windenergieanlagen, Teleskopen oder Industrierobotern, um nur einige Beispiele zu nennen. In diesem Zusammenhang ist die Integration von Neigungssensoren in verschiedenste Anwendungen weitestgehend unproblematisch, da diese keine aufwändigen Installationen erfordern.

Bildergalerie

Verschiedene Messverfahren führen ans Ziel

Die Funktionsweisen von Neigungssensoren unterscheiden sich. Verbreitete Messprinzipien sind:

• das kapazitive Messprinzip oder

• das konduktometrische Messprinzip.

Das kapazitive Messprinzip

Beim kapazitiven Messprinzip, auf dem viele Neigungssensoren basieren, wird mit unterschiedlichen Verfahren bzw. Technologien die Kapazitätsänderung zwischen Elektroden ermittelt. Die Grundlage für solche Kapazitätsmessungen bildet der sogenannte Plattenkondensator, dessen Kapazität von verschiedenen technischen Größen abhängig ist: der Feldplattengröße (vergleichbar mit der Größe der Elektroden in Neigungssensoren), der Abstand der Feldplatten zueinander (der Abstand zwischen den Elektroden) und dem Dielektrikum, das sich zwischen den Feldplatten (Elektroden) befindet.

Definition

Was ist eigentlich ein kapazitiver Sensor?

Wie bereits angemerkt basieren zahlreiche Sensortypen auf dem kapazitive Messprinzip, wobei verschiedene Verfahren angewendet werden. Nachfolgend einige Beispiele:

• Sensoren mit MEMS-Funktion. Die Funktion eines nach dem MEMS-Prinzip (MEMS – Mikro-Elektronisch-Mechanisches-System) arbeitenden Sensors lässt sich am besten anhand eines einfachen Modells beschreiben, das aus zwei Elektroden besteht: Eine Elektrode ist stationär montiert, während sich die zweite Elektrode als Prüfmasse an beweglichen Federelementen befindet. Bei horizontaler Lage des Sensors wird die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen. Kippt der Sensor aufgrund einer Lageänderung, ändert sich hierdurch auch die Position der an den Federelementen aufgehängten beweglichen Elektrode gegenüber der fest installierten Masse und damit die Kapazität des Systems. Diese Kapazitätsänderung kann nun zur Bestimmung eines neuen Wertes für den Neigungswinkel des Sensors herangezogen werden.

• Andere kapazitive Neigungssensoren verwenden flüssige Medien als Dielektrikum. Hierbei sind z.B. zwei als Kondensator ausgebildete Kammern mit zähflüssigem Öl gefüllt. Wird der Sensor geneigt, fließt das Öl von einer Kammer in die andere und erzeugt hierdurch eine Kapazitätsänderung. Diese wird durch die Elektronik des Sensors in ein neigungsproportionales Spannungssignal gewandelt.

Das konduktometrische Messprinzip

Neigungssensoren von IPF Electronic funktionieren nach der konduktometrischen Neigungsmessung und basieren auf dem Prinzip der Leitfähigkeitsmessung. Das funktioniert so:

In einer teilweise mit Elektrolyt (eine elektrisch leitende Flüssigkeit) gefüllten Messzelle befinden sich parallel zur Kippachse des Sensors vier Elektroden. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen jeweils zwei Elektroden (G1/G2) baut sich ein Widerstand auf, der bei waagerechter Position des Sensors für G1 und G2 identisch ist (siehe Grafiken in der Bildergalerie).

Wird der Sensor in eine Richtung geneigt, ergibt sich eine Änderung des Widerstands in Abhängigkeit zur Füllstandshöhe des Elektrolyts über den Elektroden, die auf der geneigten Seite geringer ist, als auf der gegenüberliegenden Seite. Durch das Verhältnis der beiden Widerstandswerte zueinander (Differenzmessprinzip) kann sowohl die Neigungsrichtung (positiv oder negativ) des Sensors als auch die Größe des Neigungswinkels (Größe der Widerstandsänderung) ermittelt werden.

Unterschiedliche Winkelbereiche im Blick

Die Neigungssensoren der Reihe YN98x von IPF Electronic mit Analogausgang (0 bis 10 V) unterscheiden sich einerseits durch den Winkelbereich, den die Geräte abdecken (±45° oder ±90°) und andererseits durch die Lage des Messelements im Sensor, die letztendlich darüber entscheidet, über welche Mess- bzw. Raumachse (X, Y, Z) das Gerät den Neigungswinkel ermitteln soll.

Die Neigungssensoren von IPF Electronic in Schutzklasse IP67 mit M12-Anschlusstecker sind für einen Einsatztemperaturbereich von -40° C bis 85 °C ausgelegt und lassen sehr einfach und ohne hohen Installationsaufwand montieren.

Sensorik

Induktive Sensoren – Aufbau, Funktion, Anwendung

Stets sicher im Gelände ausgerichtet

Wie bereits eingangs erwähnt, ist das potenzielle Einsatzspektrum von Neigungssensoren breitgefächert. Am häufigsten sind diese Sensoren in mobilen Maschinen zu finden, etwa in

• Schwerlastkranen,

• Hebebühnen oder

• Landmaschinen.

Bei Schwerlastkranen ergeben sich gleich mehrere Anwendungsfelder für Neigungssensoren zur sicheren Ausrichtung der Fahrzeuge im Gelände:

• Zum einen muss das Fahrzeug über die seitlichen Stützen ausbalanciert werden, um im Einsatz eine möglichst waagerechte Position zu erhalten.

• Darüber hinaus lässt sich mit dem Sensor die Lage, bzw. der Anstellwinkel des Kranarms ermitteln, damit die zulässige Traglast in Abhängigkeit zur Neigung des Auslegers nicht überschritten wird. Je nach Auslegerneigung kann über die Messungen des Sensors zudem die aufzunehmende Last begrenzt werden.

Bei Hebebühnen verhält es sich ähnlich, da hier neben der waagerechten Position des Fahrzeugs ebenfalls die Neigung des Auslegers mit einem Sensor gemessen wird. Je steiler der Ausleger ausgerichtet ist, desto höher kann die Hebebühne ausgefahren werden.

Bei Landmaschinen wiederum ermitteln Neigungssensoren in der Regel die seitliche Lage eines Fahrzeugs, um bspw. ein Kippen einer Maschine im Gelände bei Ernteeinsätzen an steileren Hängen zu verhindern.

Drucksensoren

Mehr als nur den Druck erfassen

Von der Metallverarbeitung bis zur Papierindustrie

Auch in vielen verschiedenen Industrieapplikationen kommen Neigungssensoren zum Einsatz. Etwa in der Metallverarbeitung

• an Wendestationen für schwere Drahtspulen, oder in

• Andruckvorrichtungen für Stahlcoils.

Mit Wendestationen für schwere Drahtspulen werden u.a. mit einem Gabelstapler zuvor in horizontaler Lage transportierte Drahtspulen in senkrechte Position gebracht, damit der Draht gezogen oder weiterverarbeitet werden kann. Die Neigungssensoren dienen dazu, die korrekte Lage bzw. betriebssichere senkrechte Position solcher Wendestationen zu überwachen.

Bei Stahlcoils, die mit Spannbänder gesichert sind, müssen die Bänder vor der Weiterverarbeitung des Stahls gelöst werden. Durch die Messung der Position der Andruckvorrichtung mit Neigungssensoren wird sichergestellt, dass die Stahlcoils nach dem Lösen der Bänder in Form bleiben.

In der Papierindustrie wiederum werden Neigungssensoren etwa beim abschließenden Aufrollen einer Papierbahn z. B. auf eine Mutterrolle (Tambour) genutzt. Mit zunehmendem Umfang des Papiercoils muss sich dessen Mitte von der Anlage wegbewegen, damit sich der Einlaufpunkt der Papierbahn zur Rolle immer an der gleichen Position befindet. Die hierdurch erzeugte Kippbewegung lässt sich ständig mit einem Neigungssensor kontrollieren.

Diese Beispiele für potenzielle Einsatzgebiete von Neigungssensoren ließen sich vermutlich endlos fortführen. Ein deutlicher Beleg, dass auf Neigungssensoren in allen erdenklichen Maschinen, Fahrzeugen und Applikationen nicht verzichtet werden kann.

* Christian Fiebach ist Mitglied der Geschäftsführung bei der ipf electronic GmbH; Martinus Menne ist Freier Autor, Redaktion für innovative Technik.

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