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Elektromagnetische Winkelcodierer Sie sind korrosionsbeständig, wasserdicht, stoß- und rüttelfest

| Redakteur: Reinhard Kluger

Winkelcodierer erfassen und messen mechanische Positionen und Bewegungen. Das Einsatzfeld reicht von Papiermaschinen über Transport- und Hebeeinrichtungen bis zur Blattverstellung an Rotoren von Windkraftanlagen. Durch Implementierung von High-Tech-Schaltungen und intelligenter Software erfüllen sie weitere Funktionen der Automatisierungstechnik.

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Winkelcodierer der T-Serie in Edelstahl an 3 Achsen einer automatischen Hebe- und Absetzvorrichtung des Forschungsschiffes Maria S. Merian. Bild: Mohnsen Hydraulik
Winkelcodierer der T-Serie in Edelstahl an 3 Achsen einer automatischen Hebe- und Absetzvorrichtung des Forschungsschiffes Maria S. Merian. Bild: Mohnsen Hydraulik
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein kleiner runder Permanentmagnet und ein ASIC mit integrierten Hall-Elementen bilden die Ausgangsbasis elektromagnetischer Winkelcodierer. Die kleinsten Ausführungen haben einen Außendurchmesser von 22 und 36 mm. Ihr besonderes Merkmal besteht darin, dass der Magnet in einer Nabe eingebettet ist, die ihrerseits mit einer Welle des Messobjektes verbunden wird. Die Nabe dreht sich ohne Reibung in einem Rundloch des Codierergehäuses. Das Magnetfeld wirkt auf das ASIC und erzeugt ein Sinus-Kosinus-Signal. Durch Interpolation und Digitalisierung steht dann der Winkelwert am Ausgang als paralleles oder serielles Datensignal mit einer Auflösung bis zu 13 Bit je 360° zur Verfügung. Inzwischen bewähren sich die kleinen Winkelsensoren z.B. in Analysengeräte, Fahrschaltern, Kettenzügen und Textilmaschinen. In der weiteren Folge wurden besonders kompakte und robuste Winkelcodierer mit der gleichen Sensortechnologie entwickelt, die in verschiedenen mechanischen und elektronischen Konfigurationen lieferbar sind.

Einsatzbereit für Wind, Wetter und unter Wasser

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Zwei Konstruktions- und Sensorsysteme kennzeichnen die aktuelle Generation an Winkelcodierern der T-Serie von TWK-ELEKTRONIK: Anstelle des seit vielen Jahren eingesetzten elektrooptischen Sensorsystems wird die eingangs beschriebene elektromagnetische Wirktechnik verwendet. Der Magnet ist in eine kugelgelagerte Verstellwelle integriert und befindet sich in einer gedichteten Vorkammer. In der Hauptkammer dahinter befinden sich die Sensorelemente mit der Aufbereitungselektronik. Beide Kammern sind durch eine dünne Metallwand getrennt. Das Magnetfeld wirkt durch diese Wand auf den Sensorchip. Die beschriebene Konstruktion erlaubt es, die gesamte Elektronik in der Hauptkammer zu vergießen und dadurch Schutzarten bis zu IP69K gegen starkes Strahlwasser zu gewährleisten. Ebenso entsteht eine hohe Stoß- und Rüttelbeständigkeit.

Verfügbar sind die Winkelcodierer der T-Serie in Gehäusen aus Seewasser beständigem Aluminium oder in Edelstahl mit 36 mm und 50 mm Durchmesser. Robuste Wellen, Doppel-Kugellager und dicke Gehäusewandungen ermöglichen den Einsatz der kompakten Winkelcodierer auch unter rauen Außenbedingungen, wie sie oft im Maschinen- und Anlagenbau anzutreffen sind. In der Ausführung mit Edelstahlgehäusen werden diese Winkelcodierer z. B. als Stellungsmelder an Stau- und Spülklappen von Wasserkraftanlagen verwendet. Selbst bei voller Überflutung und bis zu 10 m Wassertiefe liefern sie zuverlässige Signale an die Steuerung der Anlagen.

Ein anderes Beispiel ist der Einsatz auf dem Eisrand-Forschungsschiff Maria S. Merian. Dort sind drei Codierer an einer automatischen Hebe- und Absetzvorrichtung installiert. Das Schiff ist für Forschungsaufgaben in der Arktis, zur Beobachtung des Golfstroms und der Ozeane mit deren Auswirkung auf die Klimaentwicklung und für Untersuchungen des Meeresbodens vorgesehen. Für die elektrische Ausrüstung an den Außeneinrichtungen und damit auch für die Winkelcodierer bedeutet dies, dass sie für einen breiten Temperaturbereich und aggressive Umgebungsbedingungen ausgelegt sein müssen.

Zum großen Spektrum der Einsatzgebiete gehört auch eine Version für niedrige Temperaturen bis – 60 °C. Sie wird in einer Abfüllanlage im Tiefkühlbereich von Lebensmitteln zur Steuerung der Durchflussmenge eingesetzt. Die hygienischen Bedingungen verlangen eine Ausführung bei der Gehäuse, Welle und Kabeldurchführungen in Edelstahl ausgeführt sind.

Mit aggressiver Atmosphäre hat man auch in Biogas-Kraftwerken zu tun. Zur Messung der Auswölbung der Abdeckplane wurde daher ein programmierbarer Winkelcodierer mit einem Seilzug-Winkelwandler nach ATEX Zone 2 ausgewählt. Die analoge Ausgangsschnittstelle liefert ein Messsignal von 4 mA bis 20 mA. Mit einem Handprogrammiergerät kann der Messbereich nach Bedarf eingestellt werden.

In Windkraftanlagen dienen Winkelcodierer der T-Serie als Rückmelder bei der Pitchregelung. Jedes Rotorblatt ist mit einem Codierer bestückt, der die Position erfasst und der Steuerung das Messsignal zur Nachregelung in Abhängigkeit von Windstärke und Windrichtung liefert. Zum kontinuierlichen Erfassen der Windrichtung dienen Bausätze, bestehend jeweils aus einem Magneten und einer Platine mit der elektronischen Schaltung. Sie liefern z. B. ein Messsignal von ± 5 Volt über ± 180°, arbeiten völlig reibungsfrei und verursachen keine Verfälschung des Messwertes.

Anstelle eines kapazitiven Stellungsmessumformers werden jetzt elektromagnetische Winkelsensoren an Rückstromklappen von Dampfleitungen in Kraftwerken eingesetzt. Bei zu geringem Dampfstrom muss die Klappe schlagartig geschlossen werden. Die neuen Sensoren arbeiten verschleißlos, sind stoßfest und für einen Arbeitstemperaturbereich bis +125 °C ausgelegt.

Aber auch zum Messen langer Wege geeignet

Bei einer zweiten Modellreihe sind die Winkelcodierer mit einem zusätzlichen Umdrehungszähler bestückt. Bis zu 32 768 Umdrehungen können dadurch erfasst werden. In Verbindung mit Zahnriemen, Kugelumlaufspindeln oder Seilzügen eignen sie sich daher besonders zur Positionsmeldung bei langen Verfahrenswegen. Dies ist z. B. bei Strangpressen, Kränen und Hebeeinrichtungen der Fall. Die elektrischen Signale sind entweder in analoger Form als Strom oder Spannung oder in digitaler Form verfügbar. Dadurch ist auch die Einbindung in Feldbus-Netze wie PROFIBUS-DP oder CANopen möglich. Für sicherheitsrelevante Einrichtungen können redundante Systeme implementiert werden. Sie entsprechen damit der IEC-Norm für „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektronischer und programmierbarer elektronischer Systeme“. Dies ist besonders wichtig bei Verwendung in Einrichtungen, bei denen Fehlfunktionen zur Gefährdung von Personen und Umwelt führen können.

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