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
• Ölgefüllte Wegaufnehmer

Grundlegende Fragen zu Wegaufnehmern? Hier finden Sie die Antworten

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.

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.

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)

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.

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.