Linearpotentiometer

• Was ist ein Linearpotentiometer?
• Vorteile von Linearpotentiometern
• Das gilt es bei Linearpotentiometern zu beachten
• Elektrischer Anschluss und Messbeispiel
• Belastbarkeit von Schleifer und Widerstandselement
• Mechanischer und elektrischer Einstellweg
• Beispiel einer Präzisionsabschätzung
• Ölgefüllte Wegaufnehmer

Grundlegende Fragen zu Wegaufnehmern? Hier finden Sie die Antworten

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.

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 Messgenauigkeit. Die Abweichung des Messergebnisses von der idealen Geraden wird mittels Linearitätsangaben spezifiziert (siehe Genauigkeit).

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)

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.

In diesem Beispiel wird die Einmessung und Abschätzung von Absolutgenauigkeit und Wiederholgenauigkeit des Wegsensors „MM10“ mit 8 mm Messwegs vorgenommen:

• Die Hysterese ist laut Datenblatt < 0,1 mm.
• Einmessung durch 2 Punkte: Bei Verschub 0 mm beträgt die Spannung am Ausgang ca. 1 mV. Bei Verschub von 8 mm ist sie 4,9980 V. Die Elektronik weiß nun, dass 0 mm bei 1 mV „liegt“ und 8 mm Messweg bei 4,998 V erreicht wird. Der Wert für full scale ist 4,998-0,001 V = ca. 4,997 V. Pro Millimeter erzeugt das Potentiometer eine Spannungsdifferenz von 4,997/8 ≈ 625 mV
• Laut Datenblatt ist die unabhängige Linearität ±2%. Diese Abweichung vom Wert für F.S. entspricht betragsmäßig 4,997 * 0,02 ≈ 99 mV. Dies entspricht einem Weg von 99/625 ≈ 0,16 mm.
• Zur Abschätzung nehmen wir die Elektronik als idealisiert an. Der Widerstandswert des Sensors hat keinen Einfluss auf das Ausgangssignal. Als Messinstrument dient ein kalibriertes Voltmeter, es erreicht eine Messgenauigkeit von ca. 1 mV. Dies entspräche einer Wegunsicherheit von 1,6 µm.

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.