Induktives Winkelmesssystem prädestiniert für schweren Maschinenbau

Wartungsfreie Intelligenz für Großwälzlager

Pepperl+Fuchs: Induktive Sensorsysteme zeichnen sich durch außergewöhnliche Robustheit und Widerstandsfähigkeit unter schwierigen Umgebungsbedingungen mit Schmutz, Öl, Fett und Feuchtigkeit aus. Dass man jetzt auch bei großen Anlagen der Solar- und Windkrafttechnik oder Schiffs- und Hafentechnik, von diesen Vorteilen profitieren kann, zeigt eine interessante Weiterentwicklung eines induktiven Messsystems. Es dient zur Bestimmung der Winkelstellung an Drehverbindungen und Großwälzlagern mit Durchmessern von einem halben Meter bis etwa vier Metern.

Bei dem Position Coding System PCI handelt es sich um ein induktives Winkelmesssystem der Firma Pepperl+Fuchs, das als Weiterentwicklung aus der PMI-Serie desselben Herstellers hervorgegangen ist. Grundlage beider Baureihen sind zahlreiche, dicht nebeneinander angeordnete Spule/Schwingkreis-Systeme, die mit Hilfe einer intelligenten Microcontroller-Auswerteeinheit die genaue Positionsbestimmung eines metallischen Targetelements erlauben. Bei den bisherigen Systemen detektiert man jeweils nur ein Metalltarget, das sich – je nach Sensortyp – auf einer linearen oder kreisförmigen Trajektorie bewegt. Da sich dieses Target zur Messung stets über den induktiv sensitiven Spule/Schwingkreissystemen befinden muss, ist die Größe des Messbereichs bzw. der Wellendurchmesser bei dieser Form der Messwerterfassung auf die physikalische Ausdehnung des Sensors begrenzt. Die induktiven Linearmesssysteme der PMI-Technologie erreichen derzeit einen maximalen Messbereich von 1000 mm, während das induktive PMI-Winkelmesssystem für Wellendurchmesser bis 40 Millimeter verfügbar ist.

Clevere Codierung sprengt Grenzen

Das weiterentwickelte PCI-System ist dieser Einschränkung nicht mehr unterworfen und somit für Einsatzbereiche mit deutlich größeren räumlichen Abmessungen prädestiniert. Der Sensor fungiert nun als Lesekopf, der die Position einer beweglichen Codeschiene ermittelt, die eine vielfache Länge des Sensorkopfes aufweisen darf. Auf dem Trägermaterial der Codeschiene ist eine Reihe von Stahlstiften als Targets befestigt. Sie sind paarweise auf der Codeschiene derart angeordnet, dass immer mindestens ein Targetpaar vom Lesekopf erfasst wird. Außerdem zeichnet sich jedes Paar durch eine Lücke mit speziellem Abstand aus, die nur ein einziges Mal auf der gesamten Codeschiene existiert, z. B. 80 mm. Codeschiene und Lesekopf sind genau aufeinander abgestimmt und die absolute Position jeder Lücke ist softwareseitig im Lesekopf hinterlegt.

So ist der Sensor zu jeder Zeit in der Lage, über ein zweistufiges Auswerteverfahren die aktuelle Position der Codeschiene genau zu berechnen. Zunächst detektiert er zur Grobpositionierung die über dem Lesekopf befindliche Lücke des Targetpaars, z. B. die Lücke L5 mit dem 80-mm-Abstand. Damit weiß das System, dass sich die Position des referenznächsten Targets beispielsweise auf der Absolutposition 680 mm befindet. Die Feinpositionierung besteht darin, in einem zweiten Schritt den Restweg zwischen dem zum Ursprung nächstliegenden Target und dem Referenzpunkt am Lesekopf zu addieren.

Absolut messend, berührungslos und verschleißfrei

Das Position Coding System ist realisierbar für Großwälzlager mit Durchmessern von 0,5...4 Metern und erlaubt an solchen großen Drehverbindungen einen direkten und schlupffreien Winkelabgriff. Durch das absolut messende Prinzip steht die aktuelle Position nach dem Einschalten bzw. Wiedereinschalten verzögerungsfrei zur Verfügung. Referenzfahrten sind nach Wartungsarbeiten, nach Störungen oder nach Ausfall der Versorgungsspannung nicht notwendig. Entsprechend der genannten Lagerdurchmesser erstreckt sich der Messbereich, je nach Sensorausführung, über eine stattliche Länge von 1.500...12.000 Millimetern. Bei einer absoluten Wegauflösung entlang des Umfangs von ±1 mm realisiert das System damit Winkelauflösungen zwischen 0,24° und 0,03°. Mit einem Signalrefreshing von 36 ms werden je nach Lagerdurchmesser und geforderter Messgenauigkeit Winkelgeschwindigkeiten von 3°/sec bis 12°/sec erreicht. Durch seine robuste mechanische Konstruktion und der integrierten Temperaturkompensation ist der Sensor besonders für Outdoor-Applikationen geeignet.

Die Codeschiene lässt sich entweder direkt am Lager oder am Auflagerflansch montieren. Mit einem maximalen Leseabstand von 5mm besitzt das Messsystem eine hohe Führungstoleranz. Im Gegensatz zu magnetischen Systemen, die mit Luftspaltgrößen von nur 0,1...1,5 Millimeter arbeiten, ist dieser Leseabstand als komfortabel zu bezeichnen. Somit werden Probleme aufgrund abrasiver Effekte durch Schmutz und Sand oder gar metallischen Abrieb zwischen Targets und Lesekopf systembedingt ausgeschlossen. Entsprechende Abstandsänderung durch mechanische Unwucht während des Betriebs verkraftet das System mühelos.

Ideale Eigenschaften für raue Outdoor-Anwendungen

Die Anwendungen für das induktive Sensorsystem liegen im Bereich erneuerbarer Energiequellen, bei Hafen- und Schiffsausrüstung oder dem Nutz- und Spezialfahrzeugbau. In Solarkraftwerken dienen Solar-Tracker dazu, die Zellen-Panels stets optimal der Sonnenbahn nachzuführen. So wird das beschriebene Messsystem zur Regelung des Azimutwinkels in Solartracker-Anwendungen bereits erfolgreich eingesetzt. Auch in solarthermischen Kraftwerken mit Bündelung der Direktstrahlung müssen zahlreiche Parabolspiegelsysteme ständig bewegt werden, um das Sonnenlicht optimal auf den zentralen Absorber zu reflektieren. Die Maximierung von Energieausbeute und Wirkungsgrad steht bei all diesen immer größer werdenden Anlagen zunehmend im Mittelpunkt und zuverlässige Sensorsysteme liefern hier einen wichtigen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit.

Auch in Windkraftanlagen tun sich gleich mehrere interessante Einsatzfelder für das induktive Winkelmesssystem PCI auf. Zunächst zur Bestimmung der aktuellen Winkelposition an der großen Drehverbindung mit Durchmessern von bis zu 4 Metern, die die gesamte Gondel trägt. Außerdem an den Rotorblättern, deren Anstellwinkel (Pitch) ebenfalls veränderbar sind. Durch die Veränderung des Anstellwinkels lässt sich bei Starts oder aktiven Bremsvorgängen die Anströmung in gewünschter Weise beeinflussen. Die Dimensionen dieser Lager an den Rotorblättern erreichen noch Durchmesser von etwa einem Meter.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet bildet der Bereich Nutz- und Spezialfahrzeuge sowie Schiffs- und Hafentechnik. Zahlreiche Lasten- und Drehkräne, Hebe- und Arbeitsbühnen, Verladeeinrichtungen, drehbare Feuerwehrleitern usw. bilden hier das Rückgrat betrieblicher Logistikprozesse und sonstiger Aktivitäten. Die Anlagen sind permanent Feuchtigkeit, Schmutz, Staub, Öl und Fett ausgesetzt und Ausfälle kosten die Betreiber viel Geld.

Induktives Messprinzip scheut keine Vergleiche

Die Dynamik des Sensorssystems ist mit Winkelgeschwindigkeiten von bis zu 12°/sec an die anvisierten Einsatzgebiete des Groß- und Schwermaschinenbaus angepasst. Zur Übertragung der Messwerte ist zwar standardmäßig eine RS232-Schnittstelle vorgesehen, doch die verwendeten Standards hängen bei den gezeigten Anwendungen und Großprojekten natürlich stark von der jeweiligen Branche und dem steuerungstechnischen Umfeld ab. Der modulare Aufbau des Winkelmesssystems ermöglicht sowohl die mechanische Anpassung an die konkrete Kundenapplikation als auch eine Modifikation der Schnittstelle gemäß der entsprechenden Steuerungstechnik.

Kostenseitig ist das induktive Sensorsystem mit magnetischen Systemen vergleichbar, jedoch nicht mit deren Nachteilen behaftet. Dazu zählen der empfindlich kleine Luftspalt, die sich mit der Temperatur ändernde Remanenz sowie die Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Störfeldern und metallischem Abrieb. Gegenüber Drehgeberlösungen kann der neue Sensor Kostenvorteile verbuchen. Hierbei entfällt neben dem Absolutwert-Drehgeber selbst, vor allem der kostenintensive Aufwand für die mechanische Kopplung des Drehgebers mit Hilfe von Komponenten wie Übersetzungsgetriebe oder Reibrad. Letztere sind durch ihre verschleißanfällige Natur außerdem potentielle Fehlerquellen.

Fazit

Mit seinen Eigenschaften stellt das induktive Drehwinkelmesssystem PCI die derzeit rationellste und eleganteste Sensorlösung für Drehverbindungen und Großwälzlager dar. Keine der sonst verfügbaren Alternativen kann so interessante Eigenschaften in einem System vereinen. Es funktioniert berührungslos und verschleißfrei, erfordert keine zusätzliche Mechanik und liefert schlupffrei und absolut messend, sofort nach dem Einschalten gültige Werte. Das Sensorsystem kennt kein Anhaften metallischen Abriebs, lässt sich durch Lagerfett nicht beeinträchtigen und trotzt sämtlichen widrigen Umgebungsbedingungen, egal ob Hitze, Sand und Staub an Solaranlagen in der Wüste, der aggressiven Salzwasser-Umgebung von Off-Shore-Windanlagen oder Schmutz, Öl und Fett an Kranen, Verladeeinrichtungen oder Spezialfahrzeugen. Das bildet die Grundlage für langjährigen ausfallsicheren Betrieb und hilft die Kosten für Wartungsarbeiten zu reduzieren.