Kontakte vermeiden

Winkelsensoren - Magnetische, kontaktlos arbeitende Winkelaufnehmer sind in vielen industriellen und mobilen Anwendungen eine Alternative zum Leitplastikpotentiometer oder anderen Winkelsensoren. Was können sie?

20. Juli 2006

In der Industrieautomation sowie bei mobilen Anwendungen steigen parallel zu den Entwicklungsfortschritten auch die Anforderungen an die Sensorik. Angesichts dessen verwundert die Forderung nach kontaktlosen Winkelsensoren nicht. Im Gegensatz zu Aufnehmern auf Basis der bewährten Leitplastikpotentiometer muss man prinzipbedingten kaum die Lebensdauer der Sensorik begrenzenden Verschleiß befürchten, besonders bei Anwendungen mit oszillierenden Bewegungen.

Magnetische Verfahren erschließen hier interessante Möglichkeiten. Wie Leitplastikpotentiometer liefern neue Geräte absolute Messwerte über volle 360 Grad. Sie arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig, lassen sich sehr einfach an die jeweilige Applikation anpassen und haben ein interessantes Kosten-/Nutzenverhältnis. Im Maschinen- und Anlagenbau sowie bei mobilen Einsatzfällen sind sie die berührungslose Alternative zu bereits etablierten Winkelgebern.

Magnetische Verfahren im Aufwind

Das Funktionsprinzip dieser kontaktlos und damit verschleißfrei arbeitenden Sensoren ist relativ einfach: Ein Magnetfeld, das senkrecht zu einem stromdurchflossenen Leiter angeordnet ist, lenkt diesen bekanntlich ab. (Nach diesem Prinzip funktionieren beispielsweise auch Elektromotoren.) Analog dazu werden die Stromlinien nach einer Seite hin verdrängt. Durch diesen Effekt ergibt sich eine Verschiebespannung quer zum Stromfluss. Da die Signaländerung nicht linear zum Drehwinkel ist, ließen sich auf diese Weise in der Vergangenheit sinnvollerweise nur begrenzte Winkel von etwa 30 bis 120 Grad erfassen. Inzwischen hat sich das jedoch geändert. Durch Modifizierung und Optimierung von Sensorelementen und Auswerteelektronik hat Novotechnik, Ostfildern, die Winkelaufnehmer für die Erfassung von Arbeitswinkeln bis zu vollen 360 Grad ausgelegt.

Der vom Funktionsprinzip her einfache Aufbau der Sensoren erschließt dem Anwender interessante Möglichkeiten: Durch den an der drehenden Achse angebrachten Magneten verändert sich - je nach Drehwinkel - die Orientierung des Magnetfeldes und damit die Signalspannung des Sensorelements. Diese Widerstandsänderung wird innerhalb des Sensor-ICs in ein drehwinkelproportionales Analogsignal umgerechnet.

Der Sensor arbeitet dabei mit einer Auflösung von 12 Bit und einer unabhängigen Linearität von +/-0,5 Prozent. Er ist unempfindlich gegenüber Verschmutzungen oder Feuchtigkeit und für die spielfreie Ankopplung ausgelegt.

Je nach Applikationsfall hat der Anwender die Wahl zwischen Versorgungsspannungen von 5 V oder 24 V. Die zulässigen Umgebungstemperaturen dürfen zwischen -40 und +125°C liegen. Die Winkelaufnehmer eignen sich damit für eine Vielzahl industrieller Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau. Langlöcher am Gehäuse vereinfachen das Justieren. Für den elektrischen Anschluss ist ein geschirmtes Kabel in das Gehäuse eingegossen.

Für die Zukunft planen die Sensorikexperten aus dem schwäbischen Ostfildern weitere Ausführungen. So ist in Kürze mit kontaktlos arbeitenden Sensoren zu rechnen, die auch digitale Ausgangssignale liefern. Außerdem soll es eine Variante geben, die speziell für den mobilen Anwendungsbereich mit seinen extremen Anforderungen konstruiert ist.

Große Einbaufreiheit

Das einfache Konstruktionsprinzip der magnetischen Winkelaufnehmer ermöglicht darüber hinaus eine weitere Variante, die für viele Applikationen interessant scheint, in denen man bisher auf Winkelaufnehmer verzichten musste, zum Beispiel wegen Platzproblemen oder weil eine Wellenankopplung zu aufwändig oder gar unmöglich war. Für solche Fälle gibt es einen magnetischen Winkelaufnehmer, bei dem Sensor und Positionsgeber als getrennte Komponenten konzipiert sind.

Der positionsgebende Magnet wird einfach an der drehenden Welle angebracht. Eine Markierung zeigt die richtige Ausrichtung zum Sensorelement, das in bis zu vier Millimeter Entfernung platziert wird. Noch größere Abstände bis etwa 10 Millimeter sollen in Zukunft realisierbar sein. Hierfür steht natürlich ein stärkerer Magnet zur Verfügung. Durch diesen zweiteiligen Aufbau hat der Anwender größtmögliche Freiheit beim Einbau des Winkelaufnehmers, auch beim Nachrüsten. Da weder Welle noch Lagerung notwendig sind und der Messabstand variabel ist, sind applikationsbedingte Lagertoleranzen unproblematisch.

Einsatz im Ex-Bereich

Außerdem kann transmissiv, also durch nicht magnetische Materialien hindurch gemessen werden, was weitere Konstruktionsfreiheiten erschließt, bis hin zum Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen. Auch dieser magnetische Sensor arbeitet mit einer Auflösung von 12 Bit bei einer Linearität von 0,5 Prozent. Das Sensorelement hat einen Durchmesser von 48 Millimeter und ist damit nur etwa so groß wie ein Eishockey-Puck oder eine Cremedose. Es ist vollständig vergossen und ausgesprochen robust. Typische Anwendungen finden sich dadurch vor allem für die Drehwinkelerfassung bei mobilen und robusten Arbeitsmaschinen wie beispielsweise in der Land- und Forstwirtschaft oder im Straßenbau.

Jasmin Range, Novotechnik

Motion Control

Auch bei Hubantrieben gehört in immer mehr Fällen der Motorbetrieb am Netz der Vergangenheit an. Frequenzumrichter erlauben nicht nur eine Variation der Drehzahl. Durch die Verwendung von Rampenfunktionen erhöhen sie zudem die Lebensdauer des Antriebes, indem sie Stöße beim Anlauf und Bremsen vermindern. Gepaart mit einem inkrementalen Drehimpulsgeber und entsprechender Software sind kostengünstige Lösungen für Positionierung und elektrische Synchronisation realisierbar. Auch die Servotechnik hält immer stärkeren Einzug im Bereich der Hubantriebe.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006