Linearpotentiometer
Potentiometrische lineare Positionssensoren zur Wegmessung: Stab Potentiometer
Ratgeber Linearpotentiometer
Inhalt
Grundlegende Fragen zu Wegaufnehmern? Hier finden Sie die Antworten
Was ist ein Linearpotentiometer?
Das Messprinzip des Potentiometers wurde bereits 1841 von Johann Christian Poggendorff beschrieben und wird seit Beginn der Nutzung der Elektrizität eingesetzt. Ein Potentiometer besitzt eine Widerstandsbahn, über deren Oberfläche ein beweglicher Schleiferkontakt geführt wird, der ein Spannungspotential abgreift. Dieses Widerstandselement kann kreisförmig oder länglich sein. In der technischen Praxis wird der Begriff „Potentiometer“ oder kurz „Poti“ heute jedoch meist für Winkelaufnehmer, d.h. für die runde Ausführung verwendet.
Potentiometrische Wegaufnehmer sind dagegen Sensoren zur Längenmessung. Diese Sensoren werden daher eher als „Linearpotentiometer“ oder allgemein als „Linearwegaufnehmer“ bezeichnet, wenn ein Widerstandswert angegeben ist oder wenn ersichtlich ist, dass es sich um potentiometrische Technologie handelt.
Zum Betrieb eines solchen Sensors wird eine Spannungsversorgung an den Wegaufnehmer angeschlossen. Durch eine Mechanik (Tastkopf, Schlitten, je nach Ausführung) wird ein Schleifer über die Widerstandsbahn bewegt, dessen Potential sich durch den Verschub ändert: Die Ausgangsspannung am Schleifer ist proportional zur Position des Schleifers auf der Widerstandsbahn. Die Widerstandsbahn besteht aus hochwertigem Leitplastik, das ein stufenloses Ausgangssignal erzeugt und Betätigungsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/sec. erlaubt.
Vorteile von Linearpotentiometern
- Das Messprinzip ist absolut, d.h. beim Einschalten oder nach einem Spannungsausfall steht sofort wieder derselbe Messwert zur Verfügung.
- Die Technologie ist seit langem erprobt und einfach zu handhaben.
- Es ist nur eine Spannungsquelle mit geringer Leistung erforderlich, da der Messwert mit geringer Leistung abgenommen wird.
- Mit potentiometrischen Wegsensoren können je nach Ausführung Wege im Bereich von 0 bis 10 mm, aber auch Längen bis zu 2000 mm kostengünstig erfasst und analog weiterverarbeitet werden.
- Durch die Spannungsteilerschaltung sind Linearpotis sehr temperaturstabil.
- Potentiometrische Wegaufnehmer sind unempfindlich gegen EMV- und ESD-Einflüsse.
Bei Linearpotentiometern ist zu beachten
- Wir empfehlen den Einbau über Kopf, damit der Abrieb des Widerstandselementes möglichst nicht auf der Widerstandsbahn verbleibt.
- Der Wegaufnehmer darf keinen zu starken Vibrationen ausgesetzt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass der Schleifer kurzzeitig von der Bahn abhebt und der zeitliche Verlauf des Messwertes unterbrochen wird.
- Die Sensoren sind nicht für stark schwingende Anwendungen geeignet. Hochfrequente Bewegungen an ein und derselben Stelle sind unbedingt zu vermeiden: Dies führt zu punktuellem Abrieb, Verlust der Signalqualität der Widerstandsbahn und kann auch den Schleifer dauerhaft beschädigen.
- Potentiometrische Wegaufnehmer mit leitender Kunststoffbahn dürfen nur in Spannungsteilerschaltung betrieben werden, da der Messwert mit geringer Leistung abgenommen werden muss. In Rheostatschaltung wird der Schleifer bzw. die Widerstandsbahn dauerhaft beschädigt. Das bedeutet, dass Linearpotentiometer nicht als veränderlicher Widerstand in einer Schaltung verwendet werden dürfen.
Elektrischer Anschluss und Messbeispiel
Potentiometrische Wegaufnehmer haben in der Standardausführung immer drei Anschlüsse, z. B. Pin A, B und C. Der Wegaufnehmer wird zwischen den Anschlüssen A und C mit einer Gleichspannung versorgt. Als Beispiel werden hier 10 V angenommen. Der Anschluss A liegt auf 0 V, der Anschluss B somit auf +10 V. Die Messung des Verstellweges erfolgt nach dem Prinzip der Spannungsteilerschaltung, d.h. der bewegliche Schleifer (Anschluss an Pin B) hat gegenüber dem Bezugspunkt (A) ein bestimmtes Potential, abhängig von der Position des Schleifers zwischen Anfang und Ende der Widerstandsbahn.
Für das dargestellte Beispiel gilt (vereinfacht):
- Wenn der Verschubweg an der ersten Endposition steht, befindet sich der Schleifer am Anfang der Widerstandsbahn und die Spannung an Pin B beträgt ca. 0 V.
- Der Verschub befindet sich in der Mitte, die Spannung an B beträgt ca. 5 V
- Der Verschubweg steht an der zweiten Endposition, der Schleifer ist am Ende der Widerstandsbahn, die Spannung an Pin B beträgt ca. +10 V.
Bei korrekter Verschaltung der Sensoren in Spannungsteilerschaltung ist der Spannungswert am Punkt B unabhängig vom absoluten Widerstandswert des Wegaufnehmers. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Darstellung vereinfacht ist, da für den Betrieb des Sensors noch unterschiedliche Werte für den elektrischen und mechanischen Verschubweg gelten (siehe mechanischer und elektrischer Einstellweg). Außerdem arbeitet kein Sensor ohne Messunsicherheit. Die Abweichung des Messergebnisses von der idealen Geraden wird durch Linearitätsangaben spezifiziert.
Belastbarkeit von Schleifer und Widerstandselement
Beispiel | Spannung U | Widerstand R | Leistung P | Applikation möglich? |
1 | 10 V | 1 kΩ | 0,1 Watt | ja |
2 | 20 V | 1 kΩ | 0,4 Watt | nein |
3 | 25 V | 5 kΩ | 0,125 Watt | ja |
4 | 60 V | 10 kΩ | 0,36 Watt | nein |
5 | 60 V | 20 kΩ | 0,18 Watt | ja |
Beim Anschluss ist die maximale Belastbarkeit des Schleifers und des Widerstandselementes zu beachten. Diese Angaben sind dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen. Ein zu hoher Strom durch den Schleifer führt zur sofortigen Zerstörung des Schleifers und/oder der Widerstandsbahn an der momentanen Position des Schleifers.
Für die Bestimmung der Verlustleistung, mit der der Wegaufnehmer belastet wird, sind der Widerstandswert und die angelegte Spannung von Bedeutung. Dazu einige Berechnungen am Beispiel des Wegaufnehmers MM10:
- max. Belastbarkeit 0,2 Watt
- lieferbare Widerstandswerte 1, 2, 5, 10, 20 oder 50 kΩ
Für die Verlustleistung gilt:
P = U² / R (Leistung P = Spannung U² geteilt durch Widerstand R)
Aus diesem Berechnungsbeispiel ist sofort ersichtlich, dass bei einer Betriebsspannung von 20 V der Wegaufnehmer mit 1 kΩ nicht eingesetzt werden kann, da sonst die Verlustleistung, mit der das Widerstandselement belastet wird, zu groß wird.
Auch bei der Weiterverarbeitung des Signals in einer Elektronik ist darauf zu achten, dass ein sehr hoher Eingangswiderstand verwendet wird, damit der Strom durch den Schleifer (Pin B) möglichst gering ist. Zur Messwerterfassung wird die Spannungsdifferenz zwischen Pin B und Pin A gemessen.
Mechanischer und elektrischer Einstellweg
Die Ausgangskennlinie der meisten potentiometrischen Wegsensoren ist nicht über den gesamten zur Verfügung stehenden Weg für den Sensorbetrieb geeignet. Grundsätzlich ist zwischen folgenden Stellwegen zu unterscheiden
- Elektrisch wirksamer Einstellweg (bzw. engl. effective electrical limits): Dies ist der tatsächlich für die Messung zu verwendende Stellweg. Für ihn gelten die im Datenblatt angegebenen Linearitätswerte und ein Dauerbetrieb sollte nur innerhalb dieser Grenzen erfolgen.
- Gesamter elektrischer Einstellweg (Engl. total electrical limits): Innerhalb dieses Bereiches liefert der Schleifer zwar ein Ausgangssignal, das aber an den Enden meist keine Wegänderung mehr darstellt, sondern konstant bleibt. Dies ist eine Art „Totbereich“, der aus technischen bzw. konstruktiven Gründen so ausgeführt ist und nicht bei allen Sensoren vorhanden ist.
- Mechanischer Einstellweg (engl. mechanical limits): Die tatsächliche Verschiebung, die der Positionsaufnehmer ausführen kann. Bei den meisten Modellen verhindern mechanische Anschläge, dass sich der Schleifer über die Widerstandsbahn hinaus bewegt.
Bei vielen Modellen entspricht der mechanische Stellweg auch dem gesamten elektrischen Stellweg. Somit verbleiben nur zwei der drei oben beschriebenen Bereiche. Dies vereinfacht zwar die Betrachtung, der effektive elektrische Einstellweg muss jedoch bei der Montage des Sensors auf die Anwendung abgestimmt werden. Andernfalls verfälscht der beschriebene Totbereich die Messergebnisse. Bitte beachten Sie die Hinweise in den Datenblättern der von Ihnen ausgewählten Modelle.
Ölgefüllte Wegaufnehmer
Für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Beständigkeit des Sensors stehen potentiometrische Wegaufnehmer mit Ölfüllung zur Verfügung. Sie sind insbesondere für die Messwerterfassung an Messstellen in besonders verschmutzter, feuchter oder auch korrosiver Umgebung (Salze, korrosive Gase) die richtige Wahl. Einsatzgebiete für diese Sensoren finden sich in der Schwerindustrie, wie z.B. im Schiffbau, im Bergbau, in Stahlwerken, Chemieanlagen usw.
Die einfachste Umsetzung einer Längsbewegung in eine proportionale elektrische Größe kann nach wie vor mit potentiometrischen Messsystemen erfolgen. Dabei handelt es sich um absolut messende Systeme mit einer Auflösung besser als 0,01 mm und dem bekannten Vorteil, dass nach einem Spannungsausfall die Signale sofort wieder lagerichtig angezeigt werden. Unsere Linearpotentiometer erfassen mechanische Messwege bis 2000 mm.
Ob als Taster mit Rückstellfeder, mit Gelenkköpfen zum Ausgleich von seitlichem Versatz, als schlittengeführte Version oder zum Einbau in hydraulische Anwendungen, sie verfügen über ein sehr hochwertiges Widerstandselement aus leitfähigem Kunststoff (Ausnahme: unsere ölgefüllten Weggeber mit Drahtelement). Und trotz der Vielfalt und des Variantenreichtums der Produkte erfordern einige anspruchsvolle Applikationen eine Sensoranpassung.
Wir von MEGATRON sind Ihr Partner für diesen Anpassungsprozess und begleiten Sie von der Produktauswahl bis zum Ende des Lebenszyklus Ihrer Applikation. Gerade bei potentiometrischen Sensoren sind oft spezielle Anpassungen der Messwege, Konfektionierungen und Verbesserungen der Bauteilgenauigkeit notwendig, da bei anspruchsvollen Spezialanwendungen, wie z.B. in der Medizintechnik, die Standardvarianten oft nicht alle Anforderungen erfüllen.