Höchste Präzision in kompakter Bauform Multiturn-Sensoren für hochpräzise Umdrehungsmessung

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Die Einsatzgebiete von Seillängengebern sind äusserst vielfältig, viele stellen hohe Ansprüche an die mechanische Robustheit. Nahezu alle Anwendungen fordern einen geringen Wartungsaufwand. Der Beitrag zeigt am Beispiel von Seillängengebern, warum sich kontaktlose Multiturn-Sensoren, die auf dem GMR-Effekt basieren, ideal für hochpräzise Umdrehungsmessung eignen.

Ein Seillängengeber ist ein Messsystem, das die lineare Bewegung eines Messseils in ein elektrisches Messsignal umwandelt. Dazu ist das Messseil, das meist aus Edelstahl besteht, auf eine Trommel gewickelt. Wird das Seil herausgezogen, dreht sich die Trommel. Die gemessene Länge ist proportional zur Umdrehung der Trommel. Ein Federmechanismus sorgt beim Wiedereinziehen des Seiles dafür, dass es stets einlagig aufgewickelt wird. Die Drehbewegung wird von einem gekoppelten Drehgeber in ein elektrisches Signal gewandelt. Die resultierenden Messwerte geben präzise Aufschluss über die Position des Messeiles und abgeleitet die Geschwindigkeit der Bewegung des Seils.

Breites Einsatzfeld für Seillängengeber

Durch dieses Bauprinzip lassen sich Seillängengeber sehr kompakt aufbauen und können dennoch über verhältnismässig grosse Weglängen präzise messen. Sie sind einfach zu montieren, funktionsbedingt robust und vielseitig und auch in schmutzigen und rauen Umgebungen einsetzbar. Dadurch eigenen sie sich für zahlreiche Anwendungsfälle. In Industrie und Maschinenbau messen sie zum Beispiel Ausfahrwege bzw. Positionen von Hubarbeitsbühnen oder Kränen und helfen bei der präzisen Achsvermessung in Portal- und Werkzeugmaschinen. In mobilen Arbeitsmaschinen empfehlen sich die robusten Messsysteme wegen der rauen Arbeitsbedingungen – grosse Temperaturunterschiede, Vibrationen und Schmutz sind hier an der Tagesordnung. Prüfstände und Simulatoren für Luft- und Raumfahrt profitieren von Seillängengebern ebenso wie die Gebäude- und Bühnentechnik. Auch in der Lager- und Fördertechnik finden sich Einsatzbereich zum Beispiel in Regalbediensystemen.

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Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik

Wegen der mehrfachen Umdrehung der Trommel beim Abwickeln des Messseils sind Seillängengeber der ideale Einsatzort für Multiturn-Sensoren. Allerdings kommen verschiedene der heutigen Sensorvarianten aufgrund der hohen Anforderungen je nach Anwendungsfall an ihre Grenzen. Kostengünstige Mehrgang-Potentiometer beispielsweise bieten häufig nicht die geforderte Genauigkeit und Lebensdauer. Für Seillängengeber, die kompakt bauen sollen, sind optische Encoder meist zu teuer und zu gross. Getriebelösungen wiederum scheiden aus, weil sie verschleissbehaftet und damit wartungsintensiv sind.

Hier kann die neue Generation von Multiturn-Sensoren aus dem Hause Novotechnik zum Problemlöser werden. Sie basiert auf dem GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance Effect). Dieser wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt; er ist bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung. Dieser Unterschied kann genutzt werden, um mithilfe eines speziell designten Sensorelementes mit mehreren Widerstandssegmenten Umdrehungen zu erfassen und gleichzeitig zu speichern, und beides sogar im stromlosen Zustand (True Power-On). Lediglich für die Ausgabe des Messerwerts über analoge oder digitale Schnittstellen wird die Versorgung benötigt.

Neue Sensor Generation auf Basis des GMR-Effekts

Die neue Generation Multiturn-Sensoren von Novotechnik liefert auf Basis des GMR-Effekts den Drehwinkel der Trommel in Kombination mit dem nicht flüchtigen Umdrehungszähler als absolute Positionswerte über mehrere Umdrehungen mit hoher Auflösung als lineares Signal. Die Sensoren arbeiten komplett berührungslos, sind daher verschleissfrei und benötigen dank GMR-Technologie keine Pufferbatterien. Der Messwert steht bei diesem echten True Power-on-System sofort nach dem Start zur Verfügung. Verdrehungen innerhalb des Messbereiches von 44 Umdrehungen werden auch im stromlosen Zustand erfasst. Angeboten werden die Sensoren in verschiedenen Bauformen. Wo die Platzverhältnisse besonders beengt sind, eignet sich der MZ1-2200 mit einem Gehäusedurchmesser von gerade einmal 22 mm und Zentralbefestigung zur einfachen Montage. Der MC1 2800 hat ein Gehäusedurchmesser von 30 mm und wird wahlweise mit Steckkupplung oder indexierter Welle angeboten. Für raue Umgebungsbedingungen empfiehlt sich die Baureihe MB1-3600 mit einem Gehäusedurchmesser von 36 mm. Alle Baureihen können aufgrund ihrer Schutzart von aussen am Seillängengeber montiert werden.

Für kostenoptimierte Projekte und OEMs ist die Kit-Lösung (Bild 4) interessant, zum Beispiel auch zur Integration in das Seillängengebergehäuse. Diese Lösung reduziert den Sensor auf seine Grundkomponenten und auf einen minimalistischen Adapter, der die Sensorkomponenten miteinander verbindet. Der Sensor kommt ohne Welle aus, stattdessen wird der integrierte Positionsgeber direkt auf das Wellenende der Trommel gesteckt und mechanisch z.B. durch zwei Befestigungslaschen mit Langlöchern justiert. Das reduziert Grösse, Kosten und Gewicht und eignet sich auch bei anderen Anwendungen, in denen ohnehin eine Haube oder Gehäuse um das fertige Produkt gebaut wird. Insbesondere die Kit-Variante eignet sich daher ideal für die Integration in Seilzugsystemen.

Präzise, flexibel und effizient

Alle Bauvarianten messen magnetisch und kontaktlos, arbeiten daher verschleissfrei und haben eine hohe Lebensdauer. Messen lässt sich ein elektrischer Nutzwinkel von 15840° (das entspricht 44 Umdrehungen). Pro Umdrehung haben die Sensoren eine Auflösung von bis zu 16 Bit. Als echte True-Power-On Systeme bleiben die Positionen der Sensoren bei Spannungsausfall erhalten und Umdrehungen werden auch stromlos erfasst. Dabei sind die Sensoren auch noch ausgesprochen genau. Über den gesamten Messbereich liegt die Linearitätsabweichung unter ±1°. Sie sind optimiert für den Einsatz in mobilen Anwendungen mit höchsten EMV-Anforderungen (Störfestigkeit bis 30 V/m gemäss ISO 11452-5).

Um ein breites Anwendungsspektrum abdecken zu können, werden die Multiturn-Sensoren mit diversen Schnittstellen angeboten. Einerseits gibt es verschiedene analoge Schnittstellen, andererseits diverse digitale wie IO-Link, CANopen, CAN J1939, SPI oder SENT (Single Edge Nibble Transmission). Gerade die digitalen Schnittstellen ermöglichen zusätzliche Smart Sensor Funktionalitäten zur Zustandsüberwachung wie Statistikdaten zu Temperatur, Betriebszeit, Versorgungsspannung und Laufleistung.

Die Sensoren sind einfach zu integrieren. Aufgrund der absoluten Messung sind weder Kalibrierung noch Referenzfahrten notwendig. Sie werden angeboten in Schutzarten IP54 bis IP67. Die hohe Performance, die die Multiturnsensoren auf engstem Raum bieten, gepaart mit ihrer Verschleissfreiheit und flexibler Kommunikation über vielfältige Schnittstellen empfehlen sie für den Einsatz in Seillängengebern aber auch in vielen anderen industriellen Anwendungen, in denen auf engstem Raum über mehrere Umdrehungen Drehwinkel äusserst präzise gemessen werden müssen.

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