Dietrich + Blum AG: Magnetische Winkelsensoren in rauer Umgebung

>> Bei der Weg- und Winkelmessung geht der Trend hin zu kontaktlosen Verfahren, um verschleissbedingte Ausfälle möglichst von vornherein auszuschliessen. Magnetische Funktionsprinzipien werden dabei oft bevorzugt, beispielsweise Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen. So setzt Oerlikon Barmag einen solchen Winkelsensor an Textilmaschinen im Drehzahlregelkreis der Spulköpfe ein.

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Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, liefern absolute Messwerte, arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig und eignen sich aufgrund der zu anderen Messverfahren vergleichsweise niedrigen Kosten für zahllose Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau. Steigende Stückzahlen, Variantenreduzierung durch programmierbare Winkelbereiche und optimierte Fertigungsverfahren haben dazu beigetragen, dass sie mittlerweile durch ihr gutes Preis-/Leistungsverhältnis zur einer ernstzunehmenden Konkurrenz für Sensoren auf Potentiometerbasis geworden sind.

Die Funktionsweise magnetischer Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, ist einfach zu verstehen: Wird ein Hallelement von einem Strom durchflossen, so liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht einwirkt. Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle auf einfache Weise eine berührungslose Winkelmessung realisierbar. Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Systeme auf kleinstem Bauraum möglich.

Die Hall-Sensoren arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärkenschwankungen der Gebermagnete. Sowohl kontaktlose Systeme mit Welle als auch Systeme ohne mechanische Wellenanbindung ermöglichen eine Messung bis zu vollen 360 Grad oder gar über mehrere Umdrehungen.

Zuverlässig bei rauen Umgebungsbedingungen

Mittlerweile haben sich die robusten Sensoren aus dem Programm von Novotechnik in zahlreichen Anwendungen bewährt. Der renommierte Maschinenhersteller Oerlikon Barmag beispielsweise setzt einen solchen Winkelsensor an seinen Textilmaschinen im Drehzahlregelkreis der Spulköpfe für Kunst- und Kohlefaser ein. Um die Abzugsgeschwindigkeit der Filamente oder Multifilamente von der Spule konstant zu halten, arbeitet man mit einem sogenannten Tänzerarm, in dessen Drehpunkt ein Winkelsensor montiert ist. Er ermittelt die aktuelle Lage des Tänzerarms. Aufgrund dieses Messsignals lässt sich über einen Frequenzumrichter die Drehzahl des Spannfuttermotors dem kontinuierlich wachsenden Umfang der Spule anpassen sowie Änderungen der Liefergeschwindigkeit ausgleichen.

Mit IP67 extremer Staubbelastung gewachsen

«Ausschlaggebend für die Wahl des magnetischen Hall-Sensors war vor allem der hohe Schutzgrad und die Robustheit des Sensors», erläutert Jürgen Seifert, Elektrokonstrukteur bei Oerlikon Barmag. Der Sensor erfüllt serienmässig die Anforderungen der Schutzart IP67 und verkraftet problemlos die bei Textilmaschinen teilweise extreme Staubbelastung. «Schon nach relativ kurzer Betriebsdauer sind sämtliche Maschinenkomponenten mit einer Staubschicht überzogen. Die feinen Stäube dringen ein, wo immer sie können. Eine hohe Schutzart ist deshalb zwingend erforderlich, um Sensorausfälle und einen dadurch verursachten Maschinenstillstand zu vermeiden», führt Seifert weiter aus. «Gleichzeitig wollten wir beim Sensor auf bewegte Teile verzichten, um den Verschleiss zu minimieren. Der magnetische Sensor erschien uns folglich als die einzig richtige Alternative zum leider prinzipbedingt immer verschleissbehafteten Potentiometer. Beim Hall-Sensor bewegt sich nur der positionsgebende Magnet, Empfänger und Auswerteelektronik sind komplett vergossen.»

Einfache Montage

Dabei liefert der Winkelsensor - ähnlich wie ein Leitplastikpotentiometer - absolute Messwerte, die er der Tänzerarmregelung als drehwinkelproportionales 0...10-V-Analogsignal zur Verfügung stellt. Er wurde für den vorliegenden Einsatzfall so modifiziert, dass er einen Winkelbereich von zirka 44 Grad abdeckt. Dabei arbeitet er mit einer Auflösung von 12 Bit. Die (unabhängige) Linearität liegt bei +/- 0,3 %, was eine präzise Winkelerfassung ermöglicht. Dass sich der Sensor ausserdem durch seine kompakte Bauform gut im Drehpunkt des Tänzerarms integrieren lässt, war ein weiteres Argument für die Auswahl.

Weil Sensorelement und positionsgebender Magnet konstruktiv voneinander getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann in bis zu 1,5 mm Entfernung zum Positionsgeber platziert werden. Sogar grössere Abstände bis etwa 4 mm sind realisierbar; hierfür steht ein stärkerer Magnet zur Verfügung. Eine Markierung zeigt die richtige Ausrichtung zum Sensor. Seifert weiss diese Vorteile bei der Montage zu schätzen: «Da der Messabstand variabel ist, sind applikationsbedingte Einbautoleranzen unproblematisch. Wir brauchen beim Einbau also keine besonderen Einstellvorrichtungen oder Lehren. Ein kleinerer Winkelversatz beeinträchtigt die Messgenauigkeit nicht negativ.» Bei den früher zur Tänzerarmregelung eingesetzten Kombination aus induktiver Abstandssensorik und Exzenterscheibe war die Montage dagegen recht aufwändig. Der damals übliche mechanische Aufwand fällt dank des magnetischen Winkelsensors nun weg.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Die einfache Montage, die Zuverlässigkeit und die Robustheit kann der beschriebene Sensor auch in vielen anderen Anwendungen ausspielen. Neben industriellen Applikationen erschliesst sich ihm auch im mobilen Bereich ein breites Einsatzfeld. Schliesslich verkraftet er Schwingungen und Vibrationen bis 2000 Hz und Stösse bis 100 g (6 ms, gemäß IEC 60068-2-6) und steht in Variante RSC auch als integrierte Lösung mit Welle zur Verfügung. <<

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