Drehgeber treffen in Maschinen- und Anlagen häufig auf raue Umgebungsbedingungen. Als Stellungsmelder an Stau- und Spülklappen von Wasserkraftanlagen beispielsweise sollen sie selbst bei voller Überflutung aus einer Wassertiefe von bis zu zehn Metern zuverlässig Signale an die Steuerung senden. In Abfüllanlagen für tiefgekühlte Lebensmittel besteht ihre Aufgabe darin, bei –60 °C fehlerfrei die Durchflussmengen zu bestimmen. Ganz anderen Temperaturen müssen Winkelcodierer dagegen trotzen, die in Kraftwerken die Stellung von Rückstromklappen in Dampfleitungen erfassen: Hier herrschen +125 °C. Bei zu geringem Dampfstrom schließen diese Klappen schlagartig und versetzen so der Drehgeber-Mechanik harte Stöße. Derartigen Anforderungen ist so mancher Drehgeber nicht gewachsen.

Als es beim Hersteller TWK Elektronik darum ging, neue Drehgeber für raue Einsätze zu entwickeln, setzte sich die sogenannte Zweikammer-Bauweise durch. Die Idee dahinter ist, die Sensorik und Auswerte-Elektronik komplett von der robusten Mechanik zu trennen. Auf diese Weise sollen die empfindlichen Komponenten besonders geschützt werden. Die Umsetzung erforderte ein sensorisches Wirkprinzip, das auch durch eine metallische Trennwand funktioniert. Bislang in diesem Umfeld genutzte kapazitive Sensoren waren für dieses Aufbau-Prinzip schlicht unbrauchbar. Wie auch optische, potentiometrische und induktive Prinzipien schieden sie aus, weil sie nicht durch eine Trennwand aus Alu oder Edelstahl wirken konnten.

Die Lösung fand sich in der magnetischen Übertragung der Drehbewegung: Die Welle in der „Mechanik-Kammer“ des Gebers wurde mit einem Permanentmagnet als Target versehen. Dieses Target überträgt die Position durch eine Trennwand aus Alu oder Edelstahl mittels magnetischem Feld auf Hallsensoren. Die Hallsensorik wurde in einem Asic realisiert, der direkt eine winkelabhängige Sinusspannung generiert. Da sich die Hallsensoren bei diesem Aufbau nicht bewegen, kann die Sensorik samt Signalaufbereitung in der „Elektronik-Kammer“ zusätzlich in Kunstharz vergossen werden. Einzig der robuste Permanentmagnet ist im mechanischen Teil des Geber untergebracht. Auf diese Weise sind Schutzarten bis zu IP69K möglich, so dass die Drehgeber sogar unter wid­rigsten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden können.

Sowohl die standardmäßig genutzte Aluminium-Legierung als auch die Edelstahl-Version ist seewassertauglich. Spezielle Ausführungen eignen sind für Wassertiefen bis 30 m. Diese sind mit einer Wandstärke von 5 mm, einer druckfesten Verschraubung und vergossener Elektronik besonders robust ausgelegt.

Mechanische Umsetzung

Der Hersteller setzt das Zweikammer-Prinzip in zwei verschiedenen mechanischen Versionen um. Bei der T-Serie befindet sich der Permanentmagnet am Ende einer Welle, die mit Doppelkugellagern geführt wird. Gehäuse und Flansch sind dabei aus einem Stück gefräst. Bei der F-Serie entfallen dagegen Welle und Lager. Stattdessen gibt eine externe Permanentmagnet-Nabe, die mit der Welle des Mess-Objekts verbunden ist, die Position an. Auf diese Weise entfällt jegliche Mechanik im Drehgeber selbst.

Die Zweikammer-Winkelcodierer sind in Gehäusen mit 36, 42 und 50 mm Durchmesser erhältlich. Robuste Wellen, Doppel-Kugellager und dicke Gehäusewandungen stellen die hohe mechanische Belastbarkeit sicher. Lieferbar sind Monoturn-Versionen mit 360°-Messbereich oder Multiturn-Versionen zum Erfassen von bis zu 32 768 Umdrehungen. Während die Monoturn-Geräte zur Erfassung von Winkeln eingesetzt werden, dient die Multiturn-Variante dazu, translatorische Bewegungen, Längen, Verfahrwege und Positionen zu messen. Um die translatorische Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln, die der Winkelcodierer anschließend erfasst, sind verschiedene Zwischenglieder umsetzbar. In Abhängigkeit von den kon­struktiven Bedingungen an der Maschine oder Anlage kommen zum Beispiel Spindeltriebe, Zahnstangen mit Ritzel, Seilzüge, Zahnriemen mit Rollenführungen, Reibräder oder Vorschaltgetriebe zum Einsatz.

Bei einigen Ausführungen entfällt die interne Mechanik im Drehgeber vollständig. Die Position zeigt eine externe Permamentmagnet-Nabe an. Diese wird an das Ende der Prüfwelle angeflanscht.

© TWK-Elektronik

Um bei den Multiturn-Winkelcodierern eine absolute Positionsinformation zu ermöglichen, selbst wenn die Versorgungsspannung unterbrochen wurde, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Einige Varianten erfassen mit elektronischem Zähler 32 768 Umdrehungen in einem nicht-flüchtigem Speicher. Zudem sind Modelle verfügbar, die die absolute Position über ein Miniaturgetriebe bestimmen. Diese Ausführungen erfassen maximal 4096 Umdrehungen.

Das Winkel- oder Positionssignal ist am Ausgang entweder als Strom- oder Spannungssignal verfügbar oder wird digital über eine Standardschnittstelle ausgegeben. Dabei stehen Varianten für SSI, Profibus-DP, Profisave, Profinet, CAN­open, CANopen Safety und Ethercat zur Wahl. Über diese Schnittstellen lassen sich auch Programmier- und Kommunikationsfunktionen nutzen und neben den Positionsdaten zusätzliche Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte ausgegeben.

Autor: Gerd Schulz ist Vertriebsingenieur bei TWK Elektronik in Düsseldorf.