Verschleissfreie Winkelsensoren, Von kontaktlos zu berührungslos

Contelec: Kontaktlosen Sensoren zur Winkelmessung ist gemeinsam, dass die sich drehende Welle im Sensorgehäuse gelagert und folglich einem gewissen Verschleiss unterworfen ist. Berührungslose Drehgeber legen diesen Makel ab.

Bild 2: Berührungslose Drehgeber eignen sich besonders für Heavy-Duty-Anwendungen wie Landwirtschaftsmaschinen, Gabelstapler und Hydraulikpumpen. (Foto: Ponsse, Finnland)

Obwohl sogenannte kontaktlose Drehgeber auf einem berührungslosen Messverfahren basieren, sind sie nicht gleichzusetzen mit berührungslosen Sensoren. Beim kontaktlosen Sensor besteht zwischen den sich auf der drehenden Achse befindenden Magneten und dem eigentlichen Messsystem kein direkter Kontakt, weshalb von einem kontakt-und verschleissfreienMesssverfahren gesprochen werden darf. Dies beispielsweise im Gegensatz zu Potenziometern, deren Schleifer eine physische Verbindung zur leitenden Schicht (z.B. Leitplastik) aufweisen und allenfalls den Begriff «verschleissarm» beanspruchen dürfen.

Berührungslose Drehgeber schaffen Abhilfe

Doch auch kontaktlose Drehgeber sind gegenüber mechanischen Abnützungserscheinungen nicht ganz gefeit. Dies auf Grund der Tatsache, dass die sich drehende Welle im Sensorgehäuse gelagert ist und insbesondere bei schlechtem Rundlauf oder bei axialen Kräften eine gewisse mechanische Abnützung erfährt. Abhilfe schaffen hier sogenannte berührungslose Drehgeber, bei denen die Permanent-Magnete kundenseitig am sich drehenden Objekt – in der Regel eine Welle – befestigt werden. Dadurch entfällt eine direkte mechanische Kopplung zwischen Achse und Messsystem, weshalb axial und radial wirkende Kräfte keinen Verschleiss verursachen und die Lebensdauer des Sensors nicht negativ beeinträchtigt wird. Berührungslose Drehgeber kommen auf Grund ihrer Architektur namentlich dann zum Einsatz, wenn der Rundlauf des sich drehenden Objekts einen bestimmten Toleranzbereich übersteigt oder wenn ein physischer Kontakt zwischen Drehgeber und Objekt nicht möglich ist. Dies ist beispielsweise bei Anwendungen der Fall, bei denen die sich drehende Komponente durch ein Schutzgehäuse abgeschirmt und folglich kein direkter Kontakt zur Sensoreinheit besteht. Dank der bei den berührungslosen Drehgebern vorhandenen transmissiven Messung wird diese Distanz elegant überbrückt.

Der Alterung begegnen

Unabhängig davon, ob es sich um kontaktlose oder berührungslose Winkelsensoren handelt, wird bei der Evaluation der geeigneten Technologie die Alterung der Permanentmagnete sowie der daraus resultierenden Signalabweichung im Zeitverlauf thematisiert. Zu Recht, handelt es sich dabei doch um einen Aspekt, der bei einfachen Hall-Systemen tatsächlich vorhanden ist. Dieser vermeintliche Nachteil jedoch lässt sich auf einfache Art eliminieren. Wird nämlich anstelle der Feldstärke die Feldrichtung bestimmt, basiert das Messverfahren auf einem stabilen Wert. Bei Messsystemen dieser Art wird die Magnetfeldrichtung des Permanentmagneten vom Sensor in eine Winkelinformation umgerechnet und über analoge oder digitale Schnittstellen ausgegeben. Dank diesem Verfahren bleibt die Messgenauigkeit unbeeinflusst hoch – selbst bei der alterungsbedingten Abnahme der Magnetfeldstärke oder einer sich ändernden Magnetfeldstärke auf Grund des Temperaturkoeffizienten des Magneten.

Ein Mehr an Flexibilität

Berührungslose Drehgeber anerbieten sich für die Umsetzung massgeschneiderter Kundenlösungen, die sich etwa durch Aspekte wie Gehäuseform, Magnetgeber, Distanz zwischen Permanentmagnet und Messsystemsowie erlaubter Toleranzen unterscheiden. So stehen mit der Vert-X-ex-Mag-Drehgeber-Familie beispielsweise Lösungen zur Verfügung, die sich sowohl für Anwendungen mit engsten Platzverhältnissen als auch für Heavy-Duty-Applikationen eignen. Gehäusedurchmesser von 13 bis 37 mm, eine Auflösung von bis zu 14 Bit, vollständig vergossene, IP 69-K-spezifizierte Ausführungen oder Lösungen für den Temperaturbereich von –40 bis +125 ºC sind sowohl als Standardkomponenten als auch in kundenspezifischen Ausführungen erhältlich.

Einen wichtigen Beitrag zur anwendungsgerechten Individualisierung leisten unterschiedliche Anschlusstechniken und Ausgangssignale. Zur Auswahl stehen etwa analoge Ausgänge mit unterschiedlichen Spannungs- und Stromwerten sowie digitale Schnittstellen wie PWM, SPI oder SSI. Und im Bereich der Anschlusstechnik ist zwischen Litzen, Kabel und Steckerkonfektionen wählbar.

Bild 3: Beim magnetischen Messverfahren Vert-X wird die Magnetfeldrichtung bestimmt und daraus der Winkel berechnet

Programmierbare Drehwinkel

Zu denweiteren Vorzügenmagnetischer Drehgeber zählt die Möglichkeit der freien Programmierung des Drehwinkels von 0 bis 360º. Bemerkenswert dabei ist, dass die volle Auflösung und Genauigkeit auch bei Winkeln kleiner als 360º zur Verfügung stehen.Dies führt dazu, dass beispielsweise ein auf 180º elektrischerWinkel programmierter Sensor die volleAuflösung von 14 Bit bietet und somit einem 15 Bit optischen 360º-Encoder entspricht. Selbst die Drehrichtung und der Indexpunkt sind individuell setzbar, wobei sich die kundenseitig gewünschten Parameterwährend der Kalibrierung des Sensors in der Fertigung programmieren lassen. Magnetische Systememachen durch einen weiteren systembedingten Vorzug auf sich aufmerksam. Durch die Möglichkeit nämlich, zwei vollwertige Messsysteme in einen Drehgeber zu integrieren und dadurch komplett redundante Lösungen zu realisieren. Auch diese Umsetzungsform lässt sich sowohl bei kontakt- als auch bei berührungslosen Drehgebern realisieren, was zu einer weiteren Stärkung von Systemen zur berührungslosen Winkelmessung führt.