Tänzerarm im Fokus 1

Textilmaschinenbau setzt auf magnetische Winkelsensoren
Bei der Weg- und Winkelmessung geht der Trend heute zu kontaktlosen Verfahren. Magnetische Prinzipien werden dabei oft bevorzugt. Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, liefern absolute Messwerte und arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Mittlerweile sind sie auch zur einer Konkurrenz für Sensoren auf Potentiometerbasis geworden. Ein Beispiel aus dem Textilmaschinenbau belegt es.

Die prinzipielle Funktionsweise magnetischer Sensoren, die den Hall-Effekt nutzen, ist einfach zu verstehen: Wird ein Hallelement von einem Strom durchflossen, so liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht einwirkt. Da diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle auf einfachste Weise eine berührungslose Winkelmessung realisierbar. Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Systeme auf kleinstem Bauraum möglich. Hall-Sensoren arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärkenschwankungen der Gebermagnete. Sowohl kontaktlose Systeme mit Welle als auch Systeme ohne mechanische Wellenanbindung ermöglichen die Messung bis zu vollen 360° oder gar über mehrere Umdrehungen.

Mittlerweile haben sich die robusten Sensoren aus dem Novotechnik-Programm in zahlreichen Anwendungen bewährt. Der renommierte Maschinenhersteller Oerlikon Barmag beispielsweise setzt einen solchen Winkelsensor an Textilmaschinen im Drehzahlregelkreis der Spulköpfe für Kunst- und Kohlefaser ein. Die Maschinen werden beispielsweise bei der Kunstrasenherstellung verwendet. Um die Abzugsgeschwindigkeit der Filamente oder Multifilamente von der Spule konstant zu halten, arbeitet man mit einem so genannten Tänzerarm, in dessen Drehpunkt ein Winkelsensor montiert ist. Er ermittelt die aktuelle Lage des Tänzerarms. Aufgrund dieses Messsignals lässt sich über einen Frequenzumrichter die Drehzahl des Spannfuttermotors dem ständig wachsenden Umfang der Spule anpassen sowie Änderungen der Liefergeschwindigkeit ausgleichen.

Zuverlässig bei rauen Umgebungsbedingungen
„Ausschlaggebend für die Wahl des magnetischen Hall-Sensors war vor allem der hohe Schutzgrad und die Robustheit des Sensors“, erläutert Jürgen Seifert, Elektrokonstrukteur bei Oerlikon Barmag. Der Sensor erfüllt serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP 67 und verkraftet problemlos die bei Textilmaschinen teilweise extreme Staubbelastung. „Schon nach relativ kurzer Betriebsdauer sind sämtliche Maschinenkomponenten mit einer Staubschicht überzogen. Die feinen Stäube dringen ein, wo immer sie können. Eine hohe Schutzart ist deshalb obligatorisch, um Sensorausfälle und einen dadurch verursachten, nicht tolerierbaren Maschinenstillstand zu vermeiden“, führt Seifert weiter aus. „Gleichzeitig wollten wir beim Sensor auf bewegte Teile verzichten, um den Verschleiß zu minimieren.

Der magnetische Sensor erschien uns folglich als die einzig richtige Alternative zum leider prinzipbedingt immer verschleißbehafteten Potenziometer. Beim Hall-Sensor bewegt sich nur der positionsgebende Magnet, Empfänger und Auswerteelektronik sind komplett vergossen.“

Dabei liefert der Winkelsensor – ähnlich wie ein Leitplastikpotenziometer – absolute Messwerte, die er der Tänzerarmregelung als drehwinkelproportionales 0…10-V-Analogsignal zur Verfügung stellt. Er wurde für den Einsatzfall so modifiziert, dass er einen Winkelbereich von etwa 44 Grad abdeckt. Dabei arbeitet er mit einer Auflösung von 12 Bit. Die (unabhängige) Linearität liegt bei +/- 0,3 %, was eine präzise Winkelerfassung ermöglicht. Dass sich der Sensor außerdem durch seine kompakte Bauform gut im Drehpunkt des Tänzerarms integrieren lässt, war ein weiteres Argument für die Auswahl.

Einfache Montage ohne Einstellvorrichtungen
Weil Sensorelement und positionsgebender Magnet konstruktiv voneinander getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann in bis zu 1,5 mm Entfernung zum Positionsgeber platziert werden. Sogar noch größere Abstände bis etwa 4 mm sind realisierbar; hierfür steht ein stärkerer Magnet zur Verfügung. Eine Markierung zeigt die richtige Ausrichtung zum Sensor. Seifert weiß diese Vorteile bei der Montage zu schätzen: „Da der Messabstand variabel ist, sind applikationsbedingte Einbautoleranzen unproblematisch. Wir brauchen beim Einbau also keine besonderen Einstellvorrichtungen oder Lehren. Wir befestigen den Sensor einfach mit einer Madenschraube an der dafür vorgesehenen, abgeflachten Stelle der Tänzerarmwelle. Ein kleinerer Winkelversatz beeinträchtigt die Messgenauigkeit nicht negativ.“

Bei den früher zur Tänzerarmregelung eingesetzten Kombination aus induktiver Abstandssensorik und Exzenter-Scheibe war die Montage dagegen recht aufwendig. „Den damals üblichen mechanischen Aufwand haben wir dank des magnetischen Winkelsensors nun nicht mehr,“ freut sich Seifert.

Die einfache Montage, die Zuverlässigkeit und die Robustheit kann der Sensor auch in vielen anderen Anwendungen ausspielen. Neben industriellen Applikationen erschließt sich ihm auch im mobilen Bereich ein breites Einsatzfeld. Schließlich verkraftet er Schwingungen und Vibrationen bis 2000 Hz und Stöße bis 100 g (6 ms, gemäß IEC 60068-2-6) und steht in Variante RSC auch als integrierte Lösung mit Welle zur Verfügung.