Position-Coding-System (PCI) nennt das Unternehmen Pepperl+Fuchs sein neues induktives Winkelmesssystem. Als Weiterentwicklung ist es aus der PMI-Serie des Herstellers hervorgegangen. Die physikalische Grundlage beider Baureihen bilden zahlreiche, dicht nebeneinander angeordnete Schwingkreissysteme.

Eine Auswerte-Einheit bestimmt die genaue Position von Stahlstiften, die auf einer Codierschiene angebracht sind. Bei den bisherigen PMI-Baureihen detektiert das System nur jeweils ein Metall-Target, das als Betätiger direkt an einem beweglichen Maschinenteil befestigt wird. Dieses Target muss sich zur Messung stets über den induktiv sensitiven Schwingkreissystemen befinden, wodurch sich die Größe des Messbereichs beziehungsweise der Wellendurchmesser bei diesen Modellen auf die physikalische Ausdehnung des Sensorkopfes begrenzt.

Daher erreichen die induktiven Linearmesssysteme der PMI-Technologie einen maximalen Messbereich von 1000 mm und das entsprechende Winkelmesssystem Wellendurchmesser bis 40 mm.

Clevere Codierung

Das weiterentwickelte PCI-System ist dieser Einschränkung nicht mehr unterworfen und somit für Einsatzbereiche mit deutlich größeren räumlichen Abmessungen geeignet. Der Sensor dient als fest stehender Lesekopf, der die Position einer beweglichen Code-Schiene ermittelt, die eine vielfache Länge des Sensorkopfes aufweisen darf.

Das besondere an diesem Messprinzip sind die definierten Abstände (Lücken) der Codierstiftpaare. Dadurch konnte der Hersteller die Messlänge auf ein Vielfaches der Messkopflänge erweitern.

© Pepperl+Fuchs

Erreicht wird das dadurch, dass entlang einer Code-Schiene Stahlstifte paarig angebracht sind. Diese Target-Paare sind so angeordnet, dass immer mindestens ein Stiftpaar vom Lesekopf erfasst wird. Das System „weiß", welches Paar gerade im Erfassungsbereich ist, weil jedes Paar durch eine Lücke mit eindeutigem Abstand identifizierbar ist. Die absolute Position jedes Stiftpaares ist softwareseitig im Lesekopf hinterlegt. Zur Messung der genauen Position arbeitet der Mikrocontroller im Sensorkopf in einem zweistufigen Auswerteverfahren: Im ersten Schritt erfasst das System die grobe Position, indem es feststellt, welches Paar erfasst wird. Dabei wird die Lücke zwischen den beiden Stahlstiften gemessen.

Die Lücke „L5" beispielsweise hat 80 mm. Das System weiß aus den gespeicherten Daten, dass sich die Position des ersten Targets von L5 auf der Absolutposition 680 mm befindet. Nach der Grobbestimmung addiert das System in einem zweiten Schritt den Restweg zwischen dem ersten Target und dem Ende des Lesekopfes. Bei einem Restweg von 30 mm würde das Endergebnis 680 mm + 30 mm = 710 mm lauten.

Absolut und schlupffrei

Dieses absolut messende Codiersystem ist realisierbar für Großwälzlager mit Durchmessern von einem halben Meter bis zu vier Metern und erlaubt einen direkten und schlupffreien Winkelabgriff. Durch das beschriebene Codierprinzip steht die aktuelle Position nach dem Einschalten beziehungsweise Wiedereinschalten verzögerungsfrei zur Verfügung. Referenzfahrten sind nach Wartungsarbeiten, Störungen oder Ausfall der Versorgungsspannung nicht notwendig.

Der Leseabstand von bis zu 5 mm bietet einen konstruktiven Schutz vor Ausfällen durch Verschmutzungen und gewährleistet eine entsprechende Toleranz gegenüber Rundlauffehlern.

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Entsprechend der genannten Lagerdurchmesser erstreckt sich der Messbereich, je nach Sensorausführung, über eine stattliche Länge von 1500 bis 12 000 mm. Bei einer absoluten Wegauflösung von ±1 mm realisiert das System Winkelauflösungen zwischen 0,24° und 0,03°. Mit einem Signal-Refreshing von 36 ms werden je nach Lagerdurchmesser und geforderter Messgenauigkeit Winkelgeschwindigkeiten von 3°/sec bis 12°/sec erreicht.

Die Code-Schiene lässt sich entweder direkt am Lager oder am Auflagerflansch montieren. Mit einem maximalen Leseabstand von 5 mm besitzt das Messsystem eine hohe Führungstoleranz.

Somit wird abrasiver Verschleiß durch Schmutz und Sand oder gar metallischen Abrieb zwischen den Stahlstiften und dem Lesekopf ausgeschlossen. Auch entsprechende Abstandsänderungen durch mechanische Unwucht während des Betriebs verkraftet das System ohne Probleme. Aufgrund seiner robusten mechanischen Konstruktion sowie der integrierten Temperaturkompensation ist der Sensor besonders für Outdoor-Applikationen geeignet.

Scheut keinen Vergleich

Die Dynamik des Sensorsystems ist mit Winkelgeschwindigkeiten von bis zu 12°/sec für die anvisierten Einsatzgebiete des Groß- und Schwermaschinenbaus ausreichend. Zur Übertragung der Messwerte wurde zunächst eine RS232-Schnittstelle realisiert, doch ermöglicht der modulare Aufbau des Winkelcodiersystems sowohl die mechanische Anpassung an den konkreten Einsatzfall als auch die elektronische Modifikation der Schnittstelle gemäß der eingesetzten 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 ebenfalls Kostenvorteile verbuchen.

Hierbei entfällt neben dem Absolutwert-Drehgeber selbst vor allem der Aufwand für die mechanische Kopplung des Drehgebers. Die bei der Kopplung notwendigen mechanischen Komponenten, wie Übersetzungsgetriebe oder Reibrad, erhöhen die Verschleißanfälligkeit des gesamten Messsystems.

Der Outdoor-Spezialist

Die Anwendungen für das induktive Sensorsystem liegen im Bereich der erneuerbaren 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 Codiersystem bereits zur Regelung des tageszeitabhängigen Einfallwinkels (Azimutwinkel) 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. Darüber hinaus eröffnen sich in Windkraftanlagen gleich mehrere interessante Einsatzfelder für das System: zunächst zur Bestimmung der aktuellen Winkelposition an der großen Drehverbindung zwischen Turm und Gondel - mit Durchmessern von bis zu vier Metern; außerdem an den Rotorblättern, deren Anstellwinkel (Pitch) ebenfalls veränderlich 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 Durchmesser von bis zu einem Meter. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet bildet der Bereich Nutz- und Spezialfahrzeuge sowie Schiffs- und Hafentechnik. Zahlreiche Lasten- und Drehkräne, Hebeund Arbeitsbühnen sowie Verlade-Einrichtungen bilden das Rückgrat vernetzter Logistikprozesse. Diese Anlagen müssen zuverlässig funktionieren, trotz ständiger Konfrontation mit Feuchtigkeit, Schmutz, Staub, Öl und Fett.

Autor: Michael Bozek ist Produktmanager Sensoren bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.