Leitplastik-Potentiometer für intelligente Stellungsregler 1

Sensoren auf Potentiometerbasis sind wegen ihrer positiven Eigenschaften und ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses in vielen Anwendungsbereichen immer noch ohne ernstzunehmende Konkurrenz. Foxboro Eckardt beispielsweise setzt bei intelligenten Stellungsreglern zur Positionsbestimmung Leitplastik-Potentiometer von Novotechnik ein. Die Gründe für diese Wahl sind vielschichtig.
Autor: Stefan Sester, Produktbereichsleiter rotative Sensoren bei Novotechnik

Leitplastik-Potentiometer liefern als Absolutwertgeber genaue Messergebnisse, sind zuverlässig und lassen sich auch von widrigen Umgebungsbedingungen und hohen Temperaturen nicht beeinträchtigen. Ihre analogen Ausgangssignale kann man sehr einfach weiterverarbeiten.

Sie lassen sich problemlos in einen eingeprägten Strom umsetzen oder bei Bedarf auch digital aufbereiten. Da das Signal außerdem ohne Schleppfehler in Echtzeit zur Verfügung steht, gibt es auch bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten keine dynamischen Probleme.

Bei entsprechender eigensicherer Versorgung eignen sich Leitplastik-Potentiometer als passive Elemente problemlos auch für den Einsatz in Ex-Bereichen, beispielsweise wenn die Stellantriebe in chemischen oder petrochemischen Anlagen eingesetzt werden. Außerdem sind Leitplastik-Potentiometer vergleichsweise preiswert, was vielen Anwendungen entgegenkommt.

Kein Wunder also, dass Foxboro Eckardt, Stuttgart, bei den Stellungsreglern der Baureihe SRD991 zur Positionsbestimmung schon seit etlichen Jahren Leitplastik-Potentiometer nutzt.

Der Stellungsregler für den Einsatz in eigensicheren Stromkreisen (EExi, gemäß Atex) dient zur Ansteuerung pneumatischer Hub- oder Schwenkantriebe, ist für alle üblichen Stellsignale sowie sämtliche in der Prozessautomation üblichen Kommunikationsprotokolle verfügbar und lässt sich problemlos in einen übergeordneten Automatisierungsverbund integrieren.

Das mehrsprachige Klartext-LCD-Display in Verbindung mit Drucktasten und einer patentierten Infrarotschnittstelle erlaubt aber auch eine komfortable Vorort-Konfiguration und Bedienung.

„Die Prozesse werden immer genauer und verlangen präzise Dosierung. Die Klappen-, Schieber- oder Ventilstellungen sollten im gesamten Arbeitsbereich möglichst genau erfasst und geregelt werden.

Eine einfache Endlagenerkennung ist heute nicht mehr ausreichend“, erläutert Stephane Hernu, Produktmanager Stellungsregler bei Foxboro Eckardt. „Eine exakte Positionserfassung ist darum zwingend erforderlich. Hierfür setzen wir bei unseren intelligenten Stellungsreglern Leitplastik-Potentiometer ein.

Für diese Wahl gibt es stichhaltige Argumente: So benötigen die Sensoren aufgrund des hohen Innenwiderstands und der Möglichkeit, sie getaktet zu betreiben, sehr wenig Leistung. Im Taktbetrieb ist das Potentiometer lediglich während des kurzen Messvorgangs aktiv und verbraucht auch nur dann Strom.

Damit unterschieden sie sich von magnetischen Verfahren, deren Leistungsbedarf deutlich höher liegt. Magnetische Sensoren können außerdem nicht mit den hohen Abtastraten der Leitplastik-Potentiometer mithalten und können natürlich im Gegensatz zu Potentiometern durch externe Magnetfelder in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.“

Einsatz in heißer Prozessumgebung unkritisch

Das eingesetzte Potentiometer, ein SPK2500, stammt vom Sensorikspezialisten Novotechnik und wurde speziell im Hinblick auf Anwendungen in der Steuer-, Mess-, Instrumentierungs- und Regelungstechnik entwickelt.

Das industriegerechte Präzisionspotentiometer ist in einem stabilen Kunststoffgehäuse untergebracht und ließ sich dank seiner kompakten Abmessungen gut im Stellungsregler integrieren. Drei Befestigungslaschen vereinfachen dabei die Montage und die mechanische Justierung. Die Position des Stellantriebs wird über einen mit der Antriebsspindel verbundenen Anlenkhebel erfasst.

„Für eine optimale Auflösung wird der Drehwinkel des Stellantriebs von 90 Grad auf den maximalen Messbereich des Potentiometers umgesetzt, der 335 Grad beträgt. Dadurch ergibt sich eine Auflösung von etwa 14 Bit“, führt Hernu weiter aus. Die Wiederholgenauigkeit ist sogar besser als 0,01% und die Linearität mit ± 0,2% ausgesprochen gut.

Für den Einsatz des Potentiometers sprachen jedoch nicht nur die hohe Genauigkeit und das günstige Preis-/Leistungsverhältnis. Im Gegensatz zu vielen anderen Messwertaufnehmern sind Leitplastik-Potentiometer auch erstaunlich robust.

So wird ihre Temperaturfestigkeit eigentlich nur durch den mechanischen Aufbau begrenzt. Das in den Stellungsreglern eingesetzte Potentiometer eignet sich beispielsweise für Umgebungstemperaturen, die zwischen -40 °C und +85 °C schwanken dürfen. Damit ist der Einsatz im Freien oder in heißer Prozessumgebung unkritisch.

Da Potentiometer (richtig angeschlossen) als Spannungsteiler ohne Schleiferlast arbeiten, bleiben Veränderungen des Potentiometers durch Temperatur- oder auch Feuchtigkeitsänderungen ohne nennenswerte Auswirkungen, da die Werte vor und nach der Abgriffstelle in gleichem Verhältnis variieren. Ein beeindruckender Temperaturkoeffizient von 5 ppm/°C ist das Resultat.

Der viel zitierte mechanische Verschleiß und die Realität

Oft als Nachteil angeführt wird der prinzipbedingte mechanische Verschleiß der Potentiometertechnik. „In unseren Anwendungen spielt dieser jedoch nur eine sehr untergeordnete Rolle“, berichtet Hernu.

Das eingesetzte Potentiometer ist für eine Lebensdauer von mehr als 50 Millionen Bewegungen ausgelegt. „In unseren Applikationen haben die Potentiometer ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auch unter rauen Umgebungsbedingungen bewiesen“, fährt Hernu fort.

Nur folgerichtig also, dass Foxboro auch in Zukunft auf leistungsfähige Potentiometer aus Ostfildern setzt. In einer neuen Variante der intelligenten Stellungsregler erfasst ein potentiometrischer Wegtaster der Baureihe TEX die Position des Stellantriebs.

Der Sensor hat eine außenliegende Rückstellfeder, die eine direkte Wegmessung auch ohne formschlüssige Positionsermittlung ermöglicht. „Dies kommt uns sehr entgegen, da sich bei den sehr kompakten Abmessungen dieses Stellungsreglertyps kein Rundpotentiometer integrieren ließ, wir aber dennoch die bewährte Technik der Leitplastik-Potentiometer nutzen wollten“, so Hernu abschließend.

Der lineare Wegsensor arbeitet mit einer Auflösung von 0,01 mm und erreicht eine Linearität von 0,05 %. Mit bis zu 50 Millionen Bewegungen ist seine Lebenserwartung ebenfalls ausgesprochen hoch. Damit haben Leitplastik-Potentiometer einmal mehr ihre Konkurrenzfähigkeit bewiesen.

Lediglich in Bereichen, die vor allem an die Lebensdauer deutlich höhere Anforderungen stellen, werden kontaktlose Verfahren dem klassischen Potentiometer zukünftig Einsatzbereiche streitig machen. Für solche Anwendungen bieten sich dann kontaktlose oder berührungslose Weg- und Winkelaufnehmer als Ersatz für die Potentiometertechnik an.

Entsprechende Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien hat Novotechnik ebenfalls in großer Auswahl im Programm.

www.novotechnik.de