Die Vorteile kundenspezifischer Drehgeber

Contelec: Magnetische Drehgeber sind zur preiswerten „Commodity“ geworden und sorgen in unzähligen Anwendungen für eine präzise Winkelmessung. Heute nun erobern kundenspezifische Ausführungen den Markt – und schaffen neue Möglichkeiten.

Sensoren zur Messung von Winkeln finden sich in Roboterarmen ebenso wie in medizinischen Geräten, industriellen Produktionssystemen oder Kommunalfahrzeugen. Auch moderne Schiffssteuerungen, elektronische Gaspedale oder automatisch öffnende und schließende Heckklappen in PWs sind ohne den Einsatz präziser und robuster Drehgeber nicht denkbar. Obwohl es sich bei magnetischen Drehgebern um eine grundsätzlich ausgereifte Technologie handelt, befinden wir uns mitten in einer bemerkenswerten Umbruchphase. So sind zum einen neue Messtechnologien erhältlich, die Winkelmessungen in einer bisher undenkbaren Präzision und Auflösung ermöglichen. Genauigkeiten von ± 0,05 bis ± 0,03 %, Linearitäten von ± 0,015 %, Wiederholgenauigkeiten von ± 0,01 % oder ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von ca. 80 dB sind keine Utopien mehr. Zum andern lassen sich Drehgeber in einer grenzenlos scheinenden Variabilität gemäß individuellen Kundenanforderungen entwickeln und selbst in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich fertigen. Dadurch wird es beispielsweise möglich, Aufwendungen in Kundensystemen zu minimieren, geringere Formfaktoren zu erreichen oder gar Funktionen zu realisieren, die bisher nicht denkbar waren. Diese verschaffen gar manchen Produkten entscheidende Alleinstellungsmerkmale. Ein Unternehmen, das sich auf die Produktion solcher kundenspezifischer Drehgeber spezialisiert hat, ist die in Biel domizilierte Contelec.

Jedem das Seine

Sowohl beim einfachen Einbau von Drehgebern als auch bei der Definition von Nullpunkt und Messbereich sind kundenseitig unterschiedliche Justage- und Indexierungshilfen gewünscht. Dazu gehören u. a. die mechanische Indexierung, mit LEDs bestückte Drehgeber oder Drehgeber, die mit zusätzlichen Leitungen versehen sind, mit denen sich der Nullpunkt auch bei inkrementellen Anwendungen eindeutig festlegen oder der Drehsinn des Winkelmessers definieren lässt. Auch berührungslose Drehgeber (exMag) sind möglich. Bei diesen Sensoren wird der Permanent-Magnet kundenseitig am sich drehenden Objekt befestigt. Dadurch entfällt eine direkte mechanische Kopplung zwischen Achse und Messsystem, weshalb axial und radial wirkende Kräfte keinen Verschleiss verursachen.

Hochsichere, redundante Systeme

Nicht selten werden Winkelmesser in Anwendungen eingesetzt, die hinsichtlich Sicherheit und Zuverlässigkeit hohe Anforderungen stellen. Dazu gehören beispielsweise Behindertenfahrzeuge, die sich mit Hilfe eines Joysticks komplett bedienen lassen (steuern, beschleunigen, bremsen). Um den strengen Sicherheitsbestimmungen zu entsprechen, muss die gesamte elektronische Steuerung – inkl. Drehgeber – redundant ausgelegt sein. Heute sind kundenspezifische Lösungen bis zu einer vierfachen Vollredundanz erhältlich.

Ein Beispiel aus der Praxis

Ein weltweit renommierter Manometer-Hersteller sah sich mit der Herausforderung konfrontiert, seine Druckmessgeräte, die primär in der Prozesstechnik eingesetzt werden, mit der Möglichkeit der Fernabfrage zu erweitern. Dies durch das Anbringen eines Sensors, der die Position der Manometer-Nadel erfasst und als elektrisches Signal weiterreicht. Spezifische Rahmenbedingungen und Anforderungen – dazu gehören etwa Faktoren wie der Betrieb mittels Zweileitertechnik, notwendige Feldkalibration und Fein-Justage, freies Setzen des Nullpunktes, variable Definition des Winkelbereichs, Konformität zur beziehungsweise Zertifizierung gemäss ATEX-Norm – machten die Entwicklung eines kundenspezifischen Drehgebers notwendig. Die in enger Zusammenarbeit zwischen Kunde und Contelec entwickelte Lösung beinhaltete „Specials“ wie beispielsweise eine intelligente Speisung. Der kundenspezifische Drehgeber basiert zwar auf dem etablierten Hall-Messsystem (Vert-X). Doch die in der Kundenlösung vorhandene Zweileitertechnik (4–20 mA) machte im Bereich der Speisung grundsätzliche Modifikationen notwendig. So beträgt der zur Speisung des Sensors zur Verfügung stehende Strom im schlechtesten Fall lediglich 3,2 mA (benötigt werden normalerweise 10 mA). In der nun umgesetzten Spezialversion wird der Sensor nicht dauernd gespeist; vielmehr wird das Messsystem durch den integrierten Mikrocontroller (MCU) nur bei Bedarf eingeschaltet und bezieht die dann benötigte Energie über einen ebenfalls im Sensor integrierten Energie- Puffer (Kondensator).

Flexible Kalibration

Ein weiteres „Special“ war die variable Winkeldefinition: Die unterschiedlichen Einsatzbereiche der Manometer stellen an die verwendeten Drehgeber hohe Anforderungen hinsichtlich einer einfachen, flexiblen und schnellen Kalibration – inkl. variablen Definition des Messbereichs. Vor diesem Hintergrund wurden die Manometer mit einer LED sowie einem Taster versehen, der mit der MCU des Winkelsensors kommuniziert. Werden im Konfigurationsprozess beim Hersteller Null- und Endpunkt definiert, erfolgt dies mittels visueller Anzeige (LED) und einem einfachen Tastendruck. Die so definierten Werte werden im Drehgeber gespeichert. Dieselbe Vorgehensweise erlaubt auch eine komfortable elektronische Fein-Justage durch den Endkunden im Feld (notwendig z. B. aufgrund anderer Druckverhältnisse und geänderter Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit), ohne dass dazu Messgeräte notwendig wären. Die Spezialfunktionen machten schließlich noch einen kundenspezifischen Formfaktor notwendig, der in enger Abstimmung mit dem Kunden entwickelt wurde – und das in ganz kurzer Zeit.