Langlebig, kompakt und genau

Seilzugsensoren zeichnen sich durch Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und ihre geringe Baugröße bei gleichzeitig hoher Genauigkeit aus – und sie bieten ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Letztendlich funktionieren sie wie ein Maßband, bei dem allerdings die Weg- oder Abstandsinformation nicht mit dem Auge abgelesen, sondern als elektrisches Signal ausgegeben wird.

Wesentliche Elemente eines Seilzugsensors, wie ihn die Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG aus Ortenburg anbietet, sind neben dem Gehäuse die Feder, die Trommel, das Messseil und ein Winkelmesser als eigentliches Sensorelement. Das Messseil wird bei einer Bewegung von der Trommel auf- oder abgewickelt. Dadurch lässt sich die lineare Bewegung in eine rotatorische konvertieren und von einem Winkelsensor erfassen. Verringert sich der Messabstand, wird das Messseil selbstständig wieder auf die Trommel gewickelt. Die dafür notwendige Kraft stellt eine vorgespannte Triebfeder bereit. Die Seilspannung ist dabei so groß, dass auch bei waagrechter Montage der Seildurchhang minimiert und das Messergebnis kaum beeinflusst wird.

Als Sensorelement lassen sich im Prinzip alle am Markt erhältlichen Winkelsensoren geeigneter Größe verwenden. Dies ermöglicht eine breite Vielfalt an unterschiedlichen Ausgangssignalen. Angefangen von analogen (etwa potenziometrisch, 4…20 mA, 0…10 V) bis zu inkrementellen (etwa TTL) und Feldbus-Signalen (etwa CANOpen, Profibus und andere) ist der Datenaustausch über praktisch alle gängigen Schnittstellen realisierbar. Typischerweise kommen in Seilzugsensoren für medizintechnische Anwendungen meist mehrwendelige Draht- oder Hybridpotenziometer zum Einsatz. Diese bieten für viele Anwendungen die geforderten Leistungsdaten zu einem günstigen Preis. Beide Typen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Lebensdauer:

Bei höheren Anforderungen an die Lebensdauer und/oder die Genauigkeit – beispielsweise im Bereich von CT-Tischen – kann der Anwender auf Sensorelemente auf Encoderbasis zurückgreifen. Damit lässt sich eine Linearität von bis zu ± 0,01 % des Messbereiches und eine deutlich höhere Standzeit erreichen. Außerdem lassen sich die Wegaufnehmer so über digitale Schnittstellen ansteuern, die in der Medizintechnik immer stärker Einzug halten.

Die Entwickler von Micro-Epsilon verwenden für die Medizintechnik-Seilzugsensoren Kunststoffgehäuse anstelle der in der Industrie üblichen Metallgehäuse. Dies erlaubt neben der kleinstmöglichen Baugröße auch niedrige Kosten bei hohen Stückzahlen. Der ohnehin vorhandene prinzipbedingte Größenvorteil dieses Sensortyps kommt damit voll zum Tragen. Denn für die Messtechnik ist eigentlich nie wirklich Platz – so groß ein Computertomograph, Röntgengerät oder OP-Tisch auf den ersten Blick auch erscheinen. Und: Durch die Kombination unterschiedlicher Sensorelemente und Messbereiche mit den verfügbaren Gehäusevarianten kann praktisch für jede Applikation ein passender Seilzugsensor bereitgestellt werden.

Ein Beispiel dafür ist die Erfassung der horizontalen Liegenposition in der Computertomographie. Hohe Geschwindigkeit und Auflösung sind hier die Grundlage für die bestmögliche Diagnostik und Wirtschaftlichkeit. Die einzelnen Röntgenschnitte, die in der Regel quer durch das Objekt verlaufen, werden in immer kleineren Abständen aufgenommen, um ein optimales Gesamtbild zu erhalten. Um eine korrekte Zuordnung der Schnitte zu ermöglichen, muss die horizontale Position der Liege sehr genau erfasst werden. Das Messsystem muss dementsprechend eine sehr hohe Auflösung bei gleichzeitig langem Messbereich bieten. Aktuell erreichen die Geräte eine Schnittauflösung von 0,2 mm und fordern deshalb eine Linearität des Sensors von ± 0,01 % des Messbereichs. Diese Werte sind gerade noch erreichbar, allerdings ausschließlich mit hochauflösenden Inkremental- oder Absolutencodern.

„Mit den Sensoren von Micro-Epsilon ist es uns möglich, die Winkeländerung der Achsen unseres Soloassist-Systems zu erfassen und frei zu verarbeiten“, berichtet auch Robert Geiger, Geschäftsführer der Aktormed GmbH in Barbing. Dabei handelt es sich um ein Gerät für die Kameraführung in der minimal-invasiven Chirurgie. Soloassist bildet einen Arm nach, der in mehreren Freiheitsgraden beweglich ist und sich seine Position merken und beibehalten kann. Außerdem kann er von einem kalibrierten Nullpunkt aus verfahren, in dem er selbstständig die erforderlichen Einzelbewegungen durchführt. Die auf diese Weise geführte endoskopische Kamera erreicht so einen Rundumblick von 360 Grad. Der Arm ist weitgehend MR- und Röntgen-neutral ausgeführt, um möglichst schattenfreie Röntgenbilder zu ermöglichen. „Deshalb können im Bereich oberhalb des OP-Tisches keine Drehgeber oder Potenziometer eingesetzt werden“, fährt Geiger fort. „Eine direkte Messung der Drehbewegungen am Arm mit Winkelsensoren ist aus diesem Grund nicht möglich.“ Die Drehwinkel werden daher indirekt mit Seilzugsensoren, die im Bereich unterhalb der Liege angebracht sind, ermittelt. „Diese sind von der Größe her ideal und mit der notwendigen Genauigkeit ausgestattet, Einbau und Justierung sind problemlos möglich.“

Darüber hinaus finden sich Seilzugsensoren in medizinischen Badewannen, Zahnarztstühlen, Rehageräten und OP-Tischen. Letztere sind modular aufgebaut und bieten viele Verstellmöglichkeiten, um den Patienten während der Operation bestmöglich zu positionieren. So lassen sich neben der Höhe des Tisches in der Regel auch die Horizontalposition und mehrere Winkelfunktionen, etwa für Kopf, Rumpf und Beine einstellen. Die Hersteller der OP-Tische verwenden Seilzugsensoren in der Regel für die vertikale und horizontale Tischposition, teilweise auch zur indirekten Winkelerfassung.

Thomas Birchinger Produktmanagement Wiresensor bei Micro-Epsilon