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Robuste Multiturn-Sensoren im mobilen Einsatz

Robuste Multiturn-Sensoren, die den GMR-Effekt nutzen, bewähren sich bei der grabenlosen Rohr- und Leitungsverlegung. Die magnetische Eigenschaft der Elektronen ermöglicht das präzise Auslesen von Daten.

Robuste Multiturn-Sensoren im mobilen Einsatz
Bild 1: Die neueste Spülbohrgeräte-Generation bringt hohe Rotations- und Spülleistungen bei geringem Verbrauch von Ressourcen und Betriebsmitteln. Tracto-Technik | Foto: Tracto-Technik
Magnetische Multiturn-Sensoren, die den GMR-Effekt (giant magnetoresistance, vgl. Infokasten unten) nutzen, arbeiten kontaktlos und liefern absolute Positionswerte. Sie benötigen keine Referenzfahrt und brauchen zum Erfassen der Umdrehungen keine Stromversorgung oder Pufferbatterie. In vielen mobilen und industriellen Anwendungen sind die robusten „True-Power-On“-Systeme deshalb eine praxisgerechte Alternative für Mehrgang-Potentiometer oder optische Encoder. Auch im mobilen Einsatz z.B. im Tiefbau haben sie sich bewährt. In Systemen für die grabenlose Rohr- und Leitungsverlegung mittels Horizontalspülbohrverfahren sorgen sie zum Beispiel für die präzise Positionierung von Gestängekran und Vorschubschlitten.

In Sachen grabenlose Technologie setzt die Firma Tracto immer wieder Maßstäbe. Ein Beispiel ist die neueste Spülbohrgeräte-Generation der Grundodrill JCS/ACS130 (Bild 1), die durch maximale Automatisierung und ein intuitives Bedienkonzept mit praxisgerechten Funktionen wie ferngesteuertem Bohren zu den effizientesten und produktivsten HDD-Bohranlagen ihrer Leistungsklassen auf dem Markt gehört. Wie alle HDD-Systeme „Made in Sauerland“ erzielen sie hohe Rotations- und Spülleistungen bei geringem Verbrauch von Ressourcen und Betriebsmitteln.

Positionierung von Gestängekran und Vorschubschlitten

Bei der Entnahme der drei Meter langen Bohrstangen aus dem Magazin und dem Einsetzen in den Vorschubschlitten führt der Gestängegreifer sowohl eine Vertikal- als auch eine Horizontalbewegung aus, bei der präzise positioniert werden muss, um die Bohrstangen im Vorschub abzulegen. Bei den Vorgängermodellen des Grundodrill übernahm diese Aufgabe ein 10-Gang-Potentiometer. Die Konstrukteure suchten dafür jedoch eine kontaktlose und daher verschleißfreie Alternative. Da Tracto schon etliche Jahre mit der Firma Novotechnik aus Ostfildern zusammenarbeitet, ergab sich schnell, dass der Multiturn RSM-2800 (Bild 2) aus dem Programm der Sensorikspezialisten sowohl für die Positionserfassung des Gestängekrans als auch beim Vorschubschlitten gleich aus mehreren Gründen die richtige Lösung ist.

Bild 2: Positionserfassung am Gestängekran: Der getriebelose Multiturn nutzt den GMR-Effekt und kann bis zu 16 Umdrehungen auch im stromlosen Zustand speichern. | Foto: Tracto-Technik
Bild 2: Positionserfassung am Gestängekran: Der getriebelose Multiturn nutzt den GMR-Effekt und kann bis zu 16 Umdrehungen auch im stromlosen Zustand speichern. | Foto: Tracto-Technik

Umdrehungserfassung ohne externe Stromversorgung

Die berührungslosen Sensoren, die den GMR-Effekt nutzen, können ohne externe Stromversorgung und Pufferbatterie bis zu 16 Umdrehungen erfassen und dauerhaft speichern. Die Auflösung des Sensors beträgt mit analoger Schnittstelle bis zu 16 Bit. Unter Verwendung digitaler Schnittstellen (SSI, SPI) werden bis zu 18 Bit Gesamtauflösung (Winkel und Umdrehung) erreicht. Gemessen werden kann bei Drehgeschwindigkeiten bis 800 U/min. Dabei sind die Sensoren auch noch ausgesprochen genau. Über den gesamten Messbereich liegen die typischen Linearitätsabweichungen unter 0,05 % (bei Messbereich 10 Umdrehungen).

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Der GMR-Effekt – Umdrehungszahlen stromlos speichern

Der Multiturn arbeitet auf mikromagnetischer Basis und nutzt den GMR-Effekt. 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 (Bild 4). Dieser Unterschied kann genutzt werden, um mittels eines speziell designten Sensorelementes mit mehreren Widerstandssegmenten Umdrehungen zu erfassen und gleichzeitig speichern zu können, und das auch im stromlosen Zustand. Der Positionswert wird z.B. als SSI-Signal ausgegeben. Varianten mit digitaler SPI- oder analoger Schnittstelle sind verfügbar.

Die beiden an Vertikal- und Horizontalachse des Gestängekrans eingesetzten Sensoren messen und speichern 9 Umdrehungen und kommunizieren mit der Steuerung des Greifers über einen 4...20 mA-Stromausgang. Hat der Greifer dann die Bohrstangen oder Rohre im Vorschubschlitten eingelegt, werden sie automatisch in die Trasse eingebracht und verlängert. Ein weiterer RSM-2800 überwacht dazu den Vorschub (Bild 3). In diesem Fall werden 10 Umdrehungen gemessen, um auf dem gesamten 3,5 m langen Verfahrweg die Position des Vorschubschlittens mit ausreichender Genauigkeit erfassen zu können.

Bild 3: Die Position des Vorschubschlittens wird ebenfalls mit dem getriebelosen Multiturn erfasst. Die rauen Umgebungsbedingungen auf der Baustelle beeinträchtigen seine Funktion nicht. | Foto: Tracto-Technik
Bild 3: Die Position des Vorschubschlittens wird ebenfalls mit dem getriebelosen Multiturn erfasst. Die rauen Umgebungsbedingungen auf der Baustelle beeinträchtigen seine Funktion nicht. | Foto: Tracto-Technik

Für den Baustelleneinsatz gerüstet

Für den Einsatz auf der Baustelle ist der RSM-2800 gut gerüstet. Er erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP67. Stöße und Vibrationen beeinträchtigen die Funktion nicht. Dabei ist er ein echtes True-Power-On System: Der Geberwert bleibt bei Spannungsabschaltung erhalten und Umdrehungen werden auch stromlos erfasst. Nach jedem Abschalten ist der Gestängekran also ohne Referenzfahrt sofort wieder betriebsbereit. Das Gehäuse besteht aus hochwertigem temperaturbeständigem Kunststoff. Befestigungslaschen mit Langlöchern ermöglichen einen einfachen Anbau und eine bequeme mechanische Justierung. Die spielfreie Steckkupplung vereinfacht die Montage. Mit vorkonfektioniertem M12-Anschlussstecker an kurzem Kabel ist der elektrische Anschluss mit einem Handgriff erledigt. Das geschirmte Anschlusskabel ist für hohe Robustheit direkt ins Gehäuse eingegossen. Mit einem Durchmesser von lediglich 28 mm lässt sich der Sensor zudem gut integrieren. Auch für die ungünstige Einbausituation an der Vertikalachse des Krans fand sich dank der guten Zusammenarbeit schnell eine praxisgerechte Lösung. Die Befestigung wurde modifiziert, um äußere Einflüsse zu kompensieren.

Die kompakte Multiturn-Lösung eignet sich aber nicht nur für mobile Arbeitsmaschinen, sondern kann vielerorts aufwendige Getriebelösungen überflüssig machen und somit helfen, Gesamtkosten einzusparen. Anwendungsbereiche finden sich deshalb z.B. auch in Druckmaschinen, Antriebs- und Lenksystemen, als Seillängengeber, bei Tür- und Torantrieben, in Papiermaschinen, Hebebühnen oder ganz allgemein als Ersatz von Mehrgangpotentiometern oder Encodern.

Bild 4: Funktionale Schichtstruktur eines GMR-Sensors | Foto: Novotechnik
Bild 4: Funktionale Schichtstruktur eines GMR-Sensors | Foto: Novotechnik

Über Novotechnik

Seit 1947 ist Novotechnik mit Stammsitz im schwäbischen Ostfildern wegweisend in der Weiterentwicklung der Messtechnik. Inzwischen arbeiten allein in Deutschland über 200 Mitarbeitende an Spitzenleistungen. Das Ergebnis sind leistungsstarke Weg- und Winkelsensoren, die weltweit aus Fertigung, Steuer- und Messtechnik oder aus dem Automobil nicht mehr wegzudenken sind. Die breitgefächerte Produktpalette umfasst Weg- und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien, spezielle Lösungen für den Automotive-Bereich sowie Messwertumformer und Messgeräte. Das deckt praktisch alle denkbaren Aufgabenstellungen ab; für spezielle Anwendungsbedürfnisse werden spezifische, auf die jeweilige Anwendung optimal passende Lösungen erarbeitet.


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