Linearpotentiometer

Wissenswertes über Wegsensoren mit potentiometrischer Technologie

Ratgeber Linearpotentiometer

Linearpotentiometer

Potentiometrische lineare Positionssensoren zur Wegmessung

Die einfachste Umsetzung einer Längsbewegung in eine proportionale elektrische Größe lässt sich immer noch mit potentiometrischen Messsystemen vornehmen. Dabei handelt es sich um absolut messende Systeme mit einer Auflösung besser als 0,01 mm und dem bekannten Vorteil, dass nach einer ausgebliebenen Spannungsversorgung 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 lateralem Versatz, als schlittengeführte Version oder zum Einbau in hydraulische Applikationen; sie besitzen ein sehr hochwertiges Widerstandselement aus leitendem Kunststoff (Ausnahme sind unsere ölgefüllten Weggeber mit Drahtelement). Und trotz der Vielfalt und des Variantenreichtums der Produkte benötigen einige anspruchsvolle Applikationen eine Sensoranpassung.

Wir von MEGATRON sind Ihr Partner für diesen Anpassungsprozess und begleiten Sie bei der Produktauswahl, bis hin zum Ende des Lebenszyklus Ihrer Applikation. Besonders bei potentiometrischen Sensoren braucht es oft Sonderanpassungen der Messwege, der Konfektionierungen und Verbesserungen bei der Bauteilpräzision, weil bei anspruchsvollen Spezialapplikationen wie z.B. in der Medizintechnik die Standardvarianten oft nicht allen Anforderungen gerecht werden.


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Was ist ein Linearpotentiometer?

Das Messprinzip des Potentiometers wurde schon 1841 von Johann Christian Poggendorff beschrieben und wird seit Anbeginn der Nutzung von Elektrizität verwendet. Ein Potentiometer besitzt eine Widerstandsbahn, auf dessen Oberfläche ein beweglicher Schleiferkontakt geführt wird, der ein Spannungspotential abgreift. Dieses Widerstandselement kann kreisrund oder auch länglich ausgeführt sein. Allerdings wird der Begriff „Potentiometer“ oder kurz „Poti“ heute in der technischen Praxis meist für Winkelaufnehmer, d.h. für die runde Variante, genutzt.

Potentiometrische Wegaufnehmer dagegen sind Sensoren, die der Längenmessung dienen. Diese Sensoren finden sich daher eher unter den Namen „Linearpotentiometer“, oder allgemein unter dem allgemeineren Begriff „Linearwegaufnehmer“, wenn ein Widerstandswert angegeben wird, bzw. wenn ersichtlich ist, dass es sich um potentiometrische Technologie handelt.
Für den Betrieb solch eines Sensors wird eine Spannungsversorgung am Wegaufnehmer angeschlossen. Ein Schleifer wird mittels Mechanik (Tastkopf, Schlitten, je nach Ausführung) auf der Widerstandsbahn verschoben, 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, welches ein stufenloses Ausgangssignal erzeugt und Betätigungsgeschwindigkeiten bis zu 10 m/sec. erlaubt.


Vorteile von Linearpotentiometern

  1. Es handelt sich beim Messprinzip um ein absolutes Verfahren, d.h. beim Einschalten oder nach einem Spannungsausfall steht sofort wieder derselbe Messwert zur Verfügung.
  2. Es handelt sich um eine lang erprobte Technologie und ist einfach zu handhaben.
  3. Es ist dafür nur eine Spannungsquelle mit kleiner Leistung erforderlich, weil der Messwert leistungsarm abgenommen wird.
  4. Mit potentiometrischen Wegsensoren können, je nach Modell, Wege in den Bereichen von 0 bis 10 mm, aber auch Längen von bis zu 2000 mm kostengünstig erfasst und analog weiterverarbeitet werden.
  5. Durch die Spannungsteiler-Schaltung sind Linearpotis sehr temperaturstabil.
  6. Potentiometrische Wegaufnehmer sind unempfindlich gegenüber EMV sowie ESD-Einflüsse.

Das gilt es bei Linearpotentiometern zu beachten

  • Wir empfehlen die Überkopf-Montage, damit der Abrieb des Widerstandselements möglichst nicht an der Widerstandsbahn verbleibt.
  • Es sollten keine zu starken Vibrationen auf den Wegsensor einwirken, weil die Gefahr besteht, dass der Schleifer von der Bahn kurzzeitig abhebt und der zeitliche Verlauf des Messwertes unterbrochen wird.
  • Die Sensoren sind nicht für stark oszillierende Anwendungen geeignet. Hohe Frequenz-Bewegungen an ein und derselben Stelle sind unbedingt zu vermeiden: Das führt zu einem punktuellen Abrieb, Verlust der Signalgüte der Widerstandsbahn, und auch der Schleifer kann dauerhaft beschädigt werden.
  • Potentiometrische Wegaufnehmer mit Leitplastikbahn dürfen nur in Spannungsteiler-Schaltung betrieben werden, da der Messwert leistungsarm abgenommen werden muss. In der Rheostat-Schaltung wird der Schleifer und/oder die Widerstandsbahn dauerhaft beschädigt. Das bedeutet, dass Linearpotentiometer nicht als variabler Widerstand in einer Schaltung verwendet werden dürfen.

Elektrischer Anschluss und Messbeispiel

Potentiometrische Wegaufnehmer haben in der Standardausführung immer drei Anschlüsse z. B. die Pins A, B und C. Der Wegaufnehmer wird zwischen den Punkten A und C mit einer Gleichspannung versorgt. Als Beispiel wird 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 Spannungsteiler-Schaltung, d.h. der bewegliche Schleifer (Anschluss bei Pin B) hat gegenüber dem Referenzpunkt (A) ein bestimmtes Potential, abhängig von der Position des Schleifers zwischen Anfang und Ende der Widerstandsbahn.


Für das abgebildete Beispiel gilt (vereinfacht):

  • Wenn der Verschubweg an der ersten Endposition steht, befindet sich der Schleifer am Anfang der Widerstandsbahn, wodurch die Spannung an Pin B ca. 0 V beträgt
  • Der Verschub befindet sich in der Mitte, die Spannung an B beträgt ca. 5 V
  • Der Verschubweg steht an der zweiten Endposition, der Schleifer befindet sich am Ende der Widerstandsbahn, die Spannung an Pin B beträgt ca. +10 V

Bei der richtigen Beschaltung der Sensoren in Spannungsteiler-Schaltung ist der Spannungswert an Punkt B unabhängig vom absoluten Widerstandswert des Wegaufnehmers. Beachten Sie aber hier bitte, dass diese Darstellung vereinfacht ist, denn für den Betrieb des Sensors gelten noch verschiedene Werte für elektrischen und mechanischen Verschubweg (siehe mechanischer und elektrischer Einstellweg). Darüber hinaus arbeitet kein Sensor ohne Messungenauigkeit. Die Abweichung des Messergebnisses von der idealen Geraden wird mittels 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

Bitte beachten Sie beim Anschluss die maximale Belastbarkeit des Schleifers und des Widerstandselements. Diese Angaben finden Sie in dem jeweiligen Datenblatt. Ein zu großer Strom über den Schleifer führt zur sofortigen Zerstörung des Schleifers und/oder der Widerstandsbahn an der momentanen Position des Schleifers.
Für die Ermittlung der Verlustleistung, mit der der Wegaufnehmer belastet wird, sind der Widerstandswert und die angelegte Spannung wichtig. 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)

Anhand dieses Berechnungsbeispiels ist sofort erkennbar, dass bei einer Betriebsspannung von 20 V der Wegaufnehmer mit 1 kΩ nicht eingesetzt werden kann, weil sonst die Verlustleistung, mit der das Widerstandselement belastet ist, zu groß wird.
Bitte beachten Sie auch bei der Weiterverarbeitung des Signals in einer Elektronik einen sehr hohen Eingangs-Widerstand zu verwenden, damit der Strom über den Schleifer (Pin B) möglichst klein ist. Zur Erfassung der Messwerte 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 verfügbaren Verschubweg für den Sensorbetrieb geeignet. Es ist grundsätzlich zwischen den folgenden Stellwegen zu unterscheiden:

  • Elektrisch wirksamer Einstellweg (bzw. engl. effective electrical limits): Dies ist der für die Messung tatsächlich zu verwendende Stellweg. Für diesen gelten die am Datenblatt angegebenen Linearitätswerte und ein Dauerbetrieb sollte nur innerhalb dieser Grenzen erfolgen.
  • Gesamter elektrischer Einstellweg (Engl. total electrical limits): Innerhalb dieses Bereichs liefert der Schleifer zwar ein Ausgangssignal, dieses bildet aber an den Enden meist keine Wegänderung mehr ab, sondern bleibt konstant. 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. Mechanische Anschläge verhindern bei den meisten Modellen, dass der Schleifer über die Widerstandsbahn hinaus gerät.

Bei vielen Modellen entspricht der mechanische Stellweg auch dem kompletten elektrischen Stellweg. Somit verbleiben nur zwei der drei oben beschriebenen Bereiche. Dies vereinfacht zwar die Betrachtung, allerdings muss der effektive elektrische Einstellweg beim Einbau des Sensors auf die Applikation nach wie vor abgestimmt werden. Ansonsten verfälscht der beschriebene Totbereich die Messergebnisse. Bitte beachten Sie die Hinweise auf den Datenblättern des von Ihnen gewählten Modells.


Ölgefüllte Wegaufnehmer

Für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit des Sensors gibt es potentiometrische Wegsensoren mit Ölfüllung. Insbesondere für die Aufnahme von Messwerten an Messstellen in besonders stark verschmutzten, feuchten oder sogar korrosiven Umgebungen (Salze, korrosive Gase) sind sie die richtige Wahl. Anwendungsgebiete für diese Sensoren finden sich in der Schwerindustrie wie z.B. Schiffsbau, in Minen, in Stahlwerken, Chemiefabriken u. v. m.

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