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Magnetostriktive Positionierung

Die berührungslose und damit verschleißarme Erfassung von Positionen, Fahrbewegungen etc. ist in der Prozessautomation eine vielfach benötigte Methode, um Rückmeldungen über den Ist-Zustand des Systems zu bekommen. Dabei werden häufig Genauigkeiten im µm Bereich benötigt. Die Systeme müssen robust, wartungsarm und (natürlich) preisgünstig sein. Seit Jahren hat sich hier bereits eine Methode etabliert, welche die Ultraschallaufzeit auf einem Draht benützt um die Position festzustellen.

Auf der gesamten Länge der Positioniereinrichtung ist ein Draht gespannt. An der zu bestimmenden Position befindet sich ein starker Dauermagnet. Über den Draht wird nun in regelmäßigen Abständen (z.B. 1k/sec.) ein Strompuls von einigen Ampere und einigen Microsekunden Dauer geschickt. Durch den hohen Strompuls entsteht um den Draht herum ein sich schnell änderndes Magnetfeld.

An der Stelle an der sich das Magnetfeld des Dauermagneten befindet, entsteht nach den magnetischen Gesetzmäßigkeiten eine Kraft, die den Draht verwindet und dabei eine Ultraschallwelle auslöst, die sich mit der Schallgeschwindigkeit auf dem Draht (ca. 2.700 m/sec.) nach beiden Seiten ausbreitet. An der 'toten' Seite wird dieser Ultraschallimpuls absorbiert und an der 'aktiven' Seite wird dieser Impuls von einem Ultraschallempfänger detektiert und in einen digitalen Empfangsimpuls umgewandelt. Die Zeit zwischen dem Start des Strompulses und dem Eintreffen der Empfangsimpulses wird mit einem TDC vermessen und damit die Lage des Dauermagneten bestimmt. Bewegt sich nun der Dauermagnet zusammen mit dem zu positionierenden Teil (z.B. dem Schlitten einer Fräsmaschine), können damit Werkzeuge o.ä. präzise positioniert werden.

Mit diesem Verfahren lassen sich z.Zt. Positioniergenauigkeiten von 2-5 µm erreichen, was einer Ultraschallaufzeit von 800 ps - 2 ns entspricht, also genau die richtige Kragenweite für einen TDC. Mit der hohen Auflösung, die noch einmal ein Stück oberhalb des Geforderten liegt, haben TDCs gerade in diesem Anwendungsfall das Thema Zeitdifferenzmessung von der Problemliste gestrichen. Daß die Bausteine gleichzeitig sehr klein sind, und im Vergleich zu früheren Lösungen bei 10-facher Genauigkeit weniger als 1/10 des Stromes benötigen, sind weitere Pluspunkte, die zu einer raschen Verbreitung beitragen.

Messprinzip


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Lesen Sie auch Applikationsschrift AN008

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