Weg- und Winkelmesstechnik beweist Vielfalt

Die SPS IPC Drives 2013 in Nürnberg bot eine gute Gelegenheit, sich über den aktuellen Stand der Technik und die neuesten Trends in der Weg- und Winkelmesstechnik zu informieren. Auf dem Messestand des Sensorikspezialisten Novotechnik war Vielfalt Trumpf: Die Palette reicht von kontaktlosen Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien bis hin zur bewährten Potentiometer-Technik, die es jetzt auch mit integrierter Auswerteelektronik gibt.

Auf die steigende Nachfrage nach einfachen, möglichst flachen und preiswerten Winkelaufnehmern hat Novotechnik mit der Entwicklung der neuen berührungslosen Baureihe RFD-4000 reagiert. Die Sensoren arbeiten berührungslos nach dem Hall-Prinzip, sind mechanisch und elektrisch vollständig kompatibel zum Vorgängermodell RFA, jedoch preiswerter und das ohne technische Kompromisse. Der Messbereich beträgt 360°, die Auflösung 12 Bit und die unabhängige Linearität ±0,5 %. Zur Auswahl stehen einkanalige, teil- oder vollredundante Ausführungen. Das Gehäuse ist mit 7 mm Höhe sehr flach. Es besteht aus einem widerstandsfähigen Thermoplast; eingespritzte Messinghülsen verstärken die beiden Anschraubpunkte (Lochabstand 31 mm).

Der passende Positionsgeber beansprucht mit 22,2 mm Durchmesser und 5,6 mm Höhe ebenfalls wenig Einbauplatz. Werkstoff ist ein Thermoplast mit eingespritzten Messinghülsen. Ein seitlicher Versatz bei der Montage von bis zu ±1,5 mm beeinträchtigt die Messergebnisse nicht, außerdem ist die dem Sensor zugewandte Seite eindeutig beschriftet, was den Einbau ebenfalls vereinfacht.

Je rauer die Umgebungsbedingungen, desto mehr wird die Technik auf die Probe gestellt. Das technische Highlight unter den robusten Winkelaufnehmern sind die kontaktlosen Winkelsensoren der Baureihen RSX-7900 und RFX-6900, die für harte Umgebungsbedingungen bestens gerüstet sind. Dank widerstandsfähigem Metallgehäuse und vergossener Elektronik erfüllen sie die Anforderungen der Schutzart IP67 beziehungsweise IP6k9k und eignen sich auch für mobile Anwendungen mit hohen EMV-Anforderungen. Bei der Variante RSX-7900 ermöglicht eine stabile Welle mit 13 mm Durchmesser die direkte Anlenkung über einen starken Hebel oder Mitnehmer.

Präzise Heavy-Duty-Sensoren, robust und mit Welle

Die Heavy-Duty-Sensoren werden für Erfassungsbereiche bis 360° angeboten, mechanisch sind sie voll durchdrehbar. Alle Varianten gibt es wahlweise in ein- oder zweikanaliger Ausführung. Als vollredundante Versionen können sie in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden und erfüllen die Anforderungen gemäß ISO13849 PLd.

Die Sensoren arbeiten an bordnetztauglichen Versorgungsspannungen von 9 bis 34 V. Für den elektrischen Anschluss stehen M12-Steckverbinder beziehungsweise Kabelabgang zur Verfügung. Ein typischer Anwendungsbereich ist beispielsweise die Istwert-Erfassung direkt an der gelenkten Achse bei elektrisch-hydraulischen Lenksystemen. Schlaglöcher, Streusalz und andere Belastungen im Einsatz direkt über der Straße beeinträchtigen die Funktion dieser Sensoren nicht. Die berührungslose Baureihe RFX-6900 ist bei einem Durchmesser von 69 mm und einer Höhe von lediglich 19 mm äußerst kompakt und lässt sich in der Mechanik von Bau-, Agrar- und Forstmaschinen oder beispielsweise auch Schiffsrudersteuerungen gut integrieren.

Beim Einsatz eines potentiometrischen Wegaufnehmers sind eine stabilisierte Versorgung und ein hochohmiger Abgriff notwendig. Deswegen wird in vielen Applikationen ein zusätzlicher Messwertumformer eingesetzt, der auch ein absolutes Ausgangssignal zur Verfügung stellt. Einige der Messwertumformer bieten zudem eine Justier- oder Teach-In-Funktion, um den Verstellbereich anwendungsspezifisch festzulegen. Die Messwertumformer benötigen allerdings zusätzlichen Bauraum und verursachen Mehrkosten.

Mit der neuen Wegaufnehmer-Baureihe TE1 hat Novotechnik nun eine Alternative zu der bereits seit vielen Jahren im Markt eingeführten T-Serie entwickelt. Die auf dem potentiometrischen Messverfahren basierenden Sensoren können mit einer üblichen 24-V-Spannungsquelle versorgt werden. Die integrierte Elektronik liefert direkt ein absolutes Spannungs- oder Stromsignal am Ausgang. Damit bieten sie alle Vorteile eines potentiometrischen Systems in Kombination mit einem Messwertumformer: eine sehr hohe Dynamik bei nahezu unbegrenzter Auflösung.

Die kompakte Bauform mit der beidseitig gelagerten Schubstange und die Ankopplung via Kugelkupplung beim Wegaufnehmer beziehungsweise Tastspitze beim Wegtaster mit integrierter Rückstellfeder wurden von der bewährten T-Serie übernommen. Als elektrische Schnittstelle ist ein Spannungs- oder Stromausgang mit steigender oder fallender Kennlinie möglich. Die Schutzart liegt bei IP40. Als elektrischer Anschluss kann zwischen einem 3-adrigen, geschirmten Kabel oder einem 3-poligen Rundstecker M8x1 gewählt werden.

Durch die Integration der Auswerteelektronik in dem hochdynamischen und hochauflösenden Messsystem bieten sich im Vergleich zu heute am Markt üblichen Produkten weitere Vorteile: Geringer Platzbedarf, einfacheres Handling, es sind keine zusätzlichen Kabel zum Messwertumformer notwendig, das Ausgangssignal kann direkt der Steuerung zugeführt werden und zusätzliche Installationszeiten und -kosten für Messwertumformer fallen weg.

Eine weitere Neuentwicklung, die auf der Messe vorgestellt wurde, ist der magnetostriktive Wegaufnehmer der Baureihe TH1, welcher eine konsequente Weiterentwicklung der Baureihe TMI mit weiter optimierten Daten ist. Der kontaktlose Aufnehmer, der nach dem Novostriktiv-Verfahren arbeitet, wird in Messbereichen bis 4250 mm angeboten. Er erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP67/IP68. Die zulässige Betriebstemperatur beträgt -40 bis +85 °C. Der Sensor arbeitet medienunabhängig und eignet sich auch für den direkten Einbau in Druckzylindern. Er hat nicht nur die Überwachung und Linearisierung der Messwerte bereits integriert, sondern garantiert ein Höchstmaß an Sicherheit und Dynamik bei der Datenübertragung. Die Auflösung ist unabhängig von der Messlänge und beträgt einheitlich 0,001"mm, was gerade bei großen Messwegen entscheidend sein kann.

Winkelsensoren direkt an Motor und Getriebe

Besonderer Wert wurde bei der Entwicklung auf die Sicherheit der internen Messwertaufbereitung gelegt sowie auf die Datenausgabe mit einer Wiederholrate von 16 kHz. Der Temperaturkoeffizient des Wegaufnehmers ist, bedingt durch Messverfahren, Bauform und ausgesuchten Materialien, sehr klein. Die hohe mechanische Robustheit in Verbindung mit dem Messverfahren ergibt eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Schock und Vibration. Der berührungslose Ringmagnet garantiert eine simple Montage des Wegmesssystems.

Zur Wahl stehen neben analogen Strom- und Spannungsschnittstellen auch Start-Stop-Schnittstellen für bis zu drei Positionsgeber, Synchron-Serielle-Schnittstelle SSI mit 24, 25 oder 26 Bit und die hochdynamische, serielle DyMoS-Schnittstelle mit Datentransferüberwachung. Die Vorteile konventioneller Schnittstellen und Busschnittstellen wurden in dieser DyMoS-Schnittstelle integriert. Zusätzlich zum Positionswert wird bei dieser Schnittstelle auch der aktuelle Geschwindigkeitswert mit übertragen.

Da die Sensoren die Messwerte mit hoher Geschwindigkeit auch unter extremen Bedingungen erfassen und verschleißfrei arbeiten, liefern sie in den unterschiedlichsten industriellen Bereichen und Mobilanwendungen gute Voraussetzungen, zum Beispiel auch beim Präzisionshandling schwerer Teile.

Kontaktlose Sensoren, die nach dem Hall-Prinzip arbeiten, haben sich in mobilen Anwendungen mittlerweile etabliert. Ein typisches Beispiel hierfür liefert der redundant ausgeführte Winkelsensor RSC-3200, der einen elektrischen Messbereich von bis zu 360° abdeckt. Bei der Drosselklappenregelung eines 6-Zylinder-Motorrads ist eine Ausführung mit einem Winkelbereich von 106° im Einsatz. Die Messwerte werden als analoges Signal ausgegeben, wobei die absolute Linearität des Sensors bei +/-2 % liegt. Im kompakten Sensorgehäuse sind der Positionsgeber und der 6-polige MQS-Kompaktstecker untergebracht, trotzdem ergeben sich Außenabmessungen von lediglich 48 x 41 x 21 mm. Der MQS-Steckverbinder ist direkt am Gehäuse angespritzt, damit ist eine zuverlässige und weitverbreitete elektrische Schnittstelle vorhanden.

Die Elektronik des Sensors ist vollständig vergossen und somit unempfindlich gegenüber Vibrationen und Umwelteinflüssen, die hohen Anforderungen der Schutzklasse IP6K9K sind erfüllt. Der Sensor ist für den Temperaturbereich von -40 bis +125 °C spezifiziert. Für Anwendungen im Bereich Motoren und Getriebe, die nach hoher Genauigkeit verlangen, ist er damit bestens geeignet. Er wird zudem aufgrund seiner sehr guten EMV-Eigenschaften zur E1-Typgenehmigung angemeldet. Außer im Motorradsegment haben sich auch im Bereich der All Terrain Vehicles (ATV) Anwendungen ergeben.

Den neuen berührungslosen Winkelsensor RFX-6900 von Novotechnik gibt es für sicherheitsrelevante Anwendungen auch in einer vollredundanten Variante.

Detektion der Gangwahlanzeige

Im praktischen Einsatz bereits vielfach bewährt hat sich auch der berührungslose Winkelgeber RSC-6600, der mit (werksseitig) programmierbaren Messbereichen bis 360° arbeitet. Dieser Sensortyp hat den magnetischen Positionsgeber und einen 3-poligen Kompaktstecker als elektrische Schnittstelle integriert. Sein Anwendungsgebiet reicht von der Detektion der Gangwahlanzeige bei geländegängigen Fahrzeugen über Motorschlittenfahrzeuge bis hin zu marinen Einsatzzwecken. Die Messelektronik des Sensors ist in einem stabilen Kunststoffgehäuse untergebracht und kann mit zwei Befestigungslaschen beispielsweise direkt am Getriebe montiert werden. Der Sensor ist sehr vibrationsbeständig und in einem weit gefassten Temperaturbereich zwischen -40 °C und +140 °C einsetzbar. Die Schutzart reicht bis IP67.

Trotz der Vielfalt gibt es Applikationen, die sich nicht mit Sensoren von der Stange lösen lassen. Kundenspezifische Lösungen sind deshalb für den Sensorik-Spezialisten ein wichtiges Thema. Als gelungenes Beispiel kann hier der berührungslose Winkelsensor der Serie RSC-3100 gelten, der ebenfalls nach dem Hall-Prinzip arbeitet und ab 2014 zum Standard-Programm gehören wird. Der robuste und sehr variabel einsetzbare Sensor deckt ebenfalls einen Winkelbereich von 360° ab und ist für die Aufnahme einer 8mm-D-Welle ausgelegt. Im Sensorgehäuse sind der Positionsgeber des Hall-Sensors und eine 3-polige Steckverbindung integriert. Inklusive der beiden seitlich angebrachten Anschraublaschen ist auch dieser Sensor mit Außenabmessungen von 47 mm Länge, 46 mm Breite und 24 mm Höhe sehr kompakt. Ein großer Temperaturbereich von -30° bis +150 °C und eine vergossene Elektronik macht den Sensor unempfindlich gegen Vibrationen und Medieneinflüsse. Am Ausgang stellt der Sensor den Messwert als digitales PWM-Signal (Puls-Weiten-Modulation) zur Verfügung.

Autor: Ellen-Christine Reiff und Dietrich Homburg im Auftrag von Novotechnik, www.novotechnik.de