Der Outdoorspezialist

Drehwinkelsensor ? Völlig berührungslos und verschleißfrei arbeitet ein neuer induktiver Drehwinkelsensor. Er verbindet hohe Genauigkeit mit einem robusten, outdoor-tauglichen Wirkprinzip und ersetzt Schleif- sowie Drehpotenziometer.

14. November 2007

Um Drehbewegungen zu erfassen, verlangen einige Anwendungen hochgenaue Drehwinkelwerte. Bei anderen liegt die Herausforderung mehr darin, unter widrigen Umgebungsbedingungen wie Schmutz, Staub und Feuchtigkeit zuverlässig zu funktionieren. Zudem sollte das gewählte Sensorelement nicht nur preisgünstig sein, sondern auch eine möglichst lange Lebensdauer bieten. Bisher war es nahezu unmöglich diese teilweise konträren Forderungen in einem Sensortyp zu vereinen. In der Praxis teilt sich der Markt daher in teure Hightech-Ausführungen und in Low-Cost-Typen ohne hohe Ansprüche an Genauigkeit und Auflösung. Zu dieser Kategorie gehören die vergleichsweise günstigen Schleif- und Drehpotenziometer. Ihr Handicap ist das verschleißbehaftete Funktionsprinzip, das sich für den Dauereinsatz wenig eignet. Pepperl+Fuchs hat einen Drehwinkelsensor entwickelt, der nach dem induktiven Wirkprinzip arbeitet. Unter der Bezeichnung ›induktiver Sensor‹ versteht man in der Regel den millionenfach bewährten Näherungsschalter mit Schaltausgang. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Drehwinkelsensor F130 um ein induktives Messsystem, das kontinuierlich den aktuellen Winkel wert ermittelt und als Analogwert am Ausgang zur Verfügung stellt. Ebenso wie bei den induktiven Wegerfassungssystemen aus derselben Sensorfamilie befnden sich im Inneren des Winkelsensors nicht nur ein einziges Auswertesystem, sondern zahlreiche Spule/Schwingkreis-Systeme. Bei dem induktiven Winkelsensor sorgen 16 kreisförmig versetzt angeordnete Spulensysteme in Kombination mit fortschrittlicher Mikroprozessortechnik für ein hochgenaues, reproduzierbares Winkelsignal. Da sich die Dämpfungswirkung eines metallischen Betätigungselements stets auf mehrere Schwingkreise gleichzeitig auswirkt, lassen sich kleinste Änderungen zuverlässig detektieren.

Induktives Wirkprinzip plus Mikroprozessortechnologie

Der Mikroprozessor berechnet den anteiligen Einfluss jedes Erfassungssystems und generiert aus den entsprechend gewichteten Einzelwerten das Gesamtergebnis. Außerdem ist er für die Aufbereitung des Ausgangssignals und für die Temperaturkompensation verantwortlich. Der F130 erfasst Winkelwerte von 0...360° und liefert ein 4...20-mA-Stromsignal. Die Auflösung beträgt 0,4° und die Wiederholgenauigkeit liegt bei ±0,5°. Zusätzliche Vorteile: induktive Systeme sind äußerst robust und unempfindlich gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit. Untergebracht in einem widerstandsfähigen Gehäuse der Schutzart IP 67 ist ein Einsatz des Winkelsensors auch in schmutzbelasteten Innenbereichen, in Außenanlagen, die sämtlichen Wetter- und Klimaeinflüssen ausgesetzt sind, oder in der Nutzfahrzeugtechnik möglich. Die 4...20-mA-Stromschnittstelle sorgt für eine sichere Übertragung des Messwertes zur Steuerung, auch in einem schwierigen Umfeld. Sie verhindert unerwünschte elektromagnetische Einflüsse und erlaubt die verzögerungsfreie Detektion eines möglichen Drahtbruchs. Außerdem bereiten lange Leitungswege keine Probleme, und schnelle Zähleingänge oder Zählerkarten sind steuerungsseitig nicht notwendig. Den für die Auswertung vorhandenen Mikroprozessor haben die Pepperl+Fuchs-Entwickler für weitere Aufgaben sinnvoll genutzt. So haben sie zusätzlich zum analogen Stromausgang zwei Schaltausgänge integriert, deren Schaltpunkte der Anwender nach dem Teach-in-Verfahren programmieren kann. Für die Programmierung gibt es drei Taster: für Nullstellung, Schaltpunkt 1 und Schaltpunkt 2. Die Schaltausgänge sprechen an, sobald die eingelernten Winkelwerte erreicht bzw. überschritten werden. Deshalb eignet sich der F130 auch für einfachere Auf-/Zu-Rückmeldungen an Klappen und Schließern oder für Endschalter- und Not-Stopp-Funktionen, zum Beispiel an kippbaren Ladeflächen. Das mikroprozessorbasierte System erlaubt weiterhin eine einfache Modifizierung des Drehwinkelsensors. Ohne Analogausgang lassen sich weitere Schaltausgänge verwirklichen, um die Funktionalität in Richtung eines Nockenschaltwerks zu erweitern. Der F130 arbeitet mit Versorgungsspannungen von 18...30 V und ist ausgelegt für Rotationsgeschwindigkeiten bis 100 U/ min. Zum Sensor gehört ein Betätiger mit 40 mm Durchmesser, bei dem eine Metallfahne eingegossen ist. Er wird so auf der Antriebswelle befestigt, dass er sich in der zylindrischen Öffnung innerhalb der Spulensysteme frei bewegen kann. Das unempfindliche System toleriert Unwuchten der Antriebswelle von 1...2 mm bezogen auf den Durchmesser.

Wegmesssysteme in der Praxis

Der F130 ist das erste Winkelmesssystem, das nach dem induktiven Wirkprinzip arbeitet. Bisher hatte der Mannheimer Sensorspezialist nur vergleichbare Systeme für die lineare Wegmessung entwickelt, die am Markt unter den Bezeichnungen F90, F110 und F112 erhältlich sind. Mit unterschiedlichen Messbereichen und Auflösungen decken sie Erfassungsbereiche bis 360 mm ab. Der F90 ist in Ausführungen für Messbereiche von 0...80 mm, 0...104 mm sowie 0...120 mm erhältlich. Er erlaubt Targetabstände bis 3 mm und bietet eine Auflösung von 125 ?m. Erhältlich ist der Sensor mit Winkelanalogem Strom- oder Spannungsausgang; die Stromvariante ist wie beim Winkelsensor mit zusätzlichen Schaltausgängen ausgestattet. Die Bauform F110 eignet sich mit Messbereichen von 0...210 mm sowie 0...360 mm zum Erfassen größerer linearer Wege. Gleichzeitig wurde der Erfassungsbereich auf 6 mm vergrößert, die Gefahr von Ungenauigkeiten aufgrund von Abstandsschwankungen oder Schwingungen des Targets ist also deutlich geringer. Die Bauform F112 ist optimiert auf die Detektion kleinster Positionsänderungen an Maschinenteilen oder Werkzeugen im Bereich von 0...14 mm bei Targetabständen bis 2,5 mm. Beim letztgenannten System handelt es sich um das kleinste auf dem Markt erhältliche induktive Wegmesssystem. Alle genannten Sensoren sind nicht nur genauer als vergleichbare magnetische Systeme, sondern erlauben die Verwendung fast jedes beliebigen Metallgegenstands als Target. Eingesetzt wird er dort, wo Positionsrückmeldungen für Stellungsregler oder Positioniersteuerungen benötigt werden. Dazu gehören Schwenkantriebe, Kompakt- und Kleinkrane, bewegliche Solarpanels oder Gangways auf Flughäfen. In der Lebensmittelherstellung und in prozesstechnischen Anlagen gibt es viele Einfülltrichter und Mischvorrichtungen, an denen Öffnungswinkel und Klappenstellungen zu überwachen oder zu regeln sind. Gegenüber herkömmlichen mechanischen und verschleißanfälligen Lösungen, wie z. B. Schleif- und Drehpotenziometer, bietet sich das induktive Winkelmesssystem als sinnvolle Lösung für unkomplizierten Dauereinsatz an. Thomas Hensler, Pepperl+Fuchs, Volker Paroth/ps

Erschienen in Ausgabe: 08/2007