Der All-in-one-Drehgeber

Christian Voß ist Produktmanager Linearwegsensoren und Drehgeber bei der Hans Turck GmbH & Co. KG in Mülheim

Die Drehgeber-Welt ist gespalten. Auf der einen Seite stehen die Verfechter optischer und potenziometrischer Encoder, auf der anderen die Anhänger magnetischer Systeme. Optische Drehgeber sind als absolute oder inkrementelle Drehgeber weit verbreitet. Sie erfassen Winkel oder Drehbewegungen, indem sie die Drehbewegung einer Welle auf eine optisch codierte Impulsscheibe aus Glas oder Kunststoff übertragen. Im Innern des Sensors tastet ein optisches System diese Scheibe ab. Die Stärken optischer Drehgeber sind ihre Fähigkeiten, hohe Auflösungen und Drehzahlen zu erfassen, sowie ihre Magnetfeldresistenz. Unpraktisch ist hingegen, dass die Geräte hohe Auflösungen nur mit großen Gehäusequerschnitten erreichen.

Der größte Nachteil ist aber die konstruktionsbedingte direkte mechanische Kopplung der drehenden Welle mit der codierten Scheibe. Schläge auf die Welle können diese sogenannte Impulsscheibe zerstören. Allein der Betrieb an vibrierenden Wellen setzt der empfindlichen Konstruktion auf Dauer zu. Das System arbeitet zwar elektrisch verschleißfrei – doch das hilft wenig, wenn die Mechanik vorzeitig kapituliert. Die Hersteller kennen diese Achillesferse der optischen Encoder und versuchen daher, Vibrationen zu minimieren. Montagezubehör wie Kupplungen und Federelemente sollen die mechanische Dauerlast dämpfen. Andere Hersteller statten ihre Drehgeber mit paarigen Kugellagern aus oder setzen auf getriebelose Varianten.

All diese Versuche können den prinzipiellen Konstruktionsschwachpunkt der Geräte nur abfedern. Die mechanische Verbindung zwischen Maschinenwelle und Encoder bringt über kurz oder lang Verschleißschäden mit sich – sei es an Federelementen, Dichtungen oder am Encoder selbst. Ähnlich verhält es sich mit den potenziometrischen Drehgebern: Auch sie erreichen hohe Auflösungen auf Kosten ihrer Robustheit. Die Hersteller der Potenziometer machen keinen Hehl daraus, dass ein Potenziometer ein Verschleißteil ist, als Drehgeber ebenso wie bei anderen Sensoren.

Meist ist die Abdichtung der Drehgeber-Gehäuse der zentrale Schwachpunkt. Besonders die permanente Beanspruchung durch leicht vibrierende Wellen macht sie irgendwann spröde, rissig und schließlich undicht. Eindringende Feuchtigkeit oder Schmutz stören die empfindliche Sensorik und verursachen ungeplante Stillstandzeiten und damit hohe Kosten beim Anlagenbetreiber.

Mit den magnetischen Systemen verhält es sich spiegelverkehrt. Ihre Stärke liegt in einer relativ hohen mechanischen Belastbarkeit. Das Messprinzip basiert auf einem sich drehenden Magneten, der über Hall-Elemente ausgewertet wird. Magnetische Drehgeber messen berührungslos und elektronisch verschleißfrei. Ihre Elektronik kann komplett geschlossenen und vergossen gebaut werden. Die größte Schwäche dieser Drehgeber ist ihre Intoleranz gegen Versatz des Positionsgebers, weshalb auch sie in einem Gehäuse betrieben werden müssen, das den Geber exakt positioniert. Die begrenzte Auflösung der magnetischen Geräte ist zudem abhängig von der Drehzahl der Welle, an die sie gekoppelt sind.

Für Anwender, die weder die Schwächen der optischen noch die der magnetischen Systeme in ihren Anlagen vernachlässigen können, hat Turck jetzt eine neue Drehgeberklasse entwickelt, die auf Basis des induktiven Resonator-Messprinzips arbeitet, das der Automatisierungsspezialist bereits seit zwei Jahren erfolgreich in seinen Weg- und Winkelsensoren einsetzt. Die induktiven Drehgeber der Reihe QR24 vereinen die Vorteile der bisherigen Lösungen und eliminieren gleichzeitig deren Nachteile. Sie sind nicht nur absolut verschleißfrei, sondern auch hochauflösend, vibrationsbeständig, magnetfeldresistent, hochdrehend und erfüllen dauerhaft Schutzart IP69K.

Das Resonator-Messprinzip erlaubt eine Konstruktion ohne Dichtungen mit vollständig vergossenem Sensorgehäuse, das vom eigentlichen Positionsgeber getrennt ist. Das Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit in die Elektronik ist somit absolut ausgeschlossen. Vibrationen und Versatz an der Welle bis zu 4 mm kompensiert der Encoder mit seinem berührungslosen Messprinzip. Magnetfelder stören das Messverfahren ohnehin nicht, da der Positionsgeber nicht auf einem magnetischen Prinzip, sondern auf einem induktiven Spulensystem basiert, bei dem Sensor und Positionsgeber (Resonator) einen Schwingkreis bilden.

Mit seiner Robustheit und Flexibilität ist der QR24 für zahlreiche Applikationen die Idealbesetzung. Die potenziellen Absatzmärkte für die Geräte sind so vielfältig wie deren Konfigurationsmöglichkeiten: Unter anderem sieht Turck in den Bereichen Mobile Maschinen, Verpackungsmaschinen, Werkzeugmaschinen sowie Logistiksysteme und -anlagen und Erneuerbare Energien ein enormes Potenzial.

So beispielsweise in Solarturm-Kraftwerken, die das Sonnenlicht auf einen Absorber reflektieren. Die dort eingesetzten Drehgeber, die zum Ausrichten der Spiegel auf den zentralen Turm verwendet werden, stoßen oft an ihre Grenzen. Da die Spiegel bis zu einem Kilometer vom Turm entfernt stehen, müssen Neigungsänderungen exakt umgesetzt werden, um das Licht auf den Turm zu projizieren. Magnetische Drehgeber kommen aufgrund der begrenzten Auflösung hier nicht in Frage. Optische Drehgeber sind den klimatischen Herausforderungen in Wüstenregionen auf Dauer nicht gewachsen: Heiße Tage und kalte Nächte führen zu starker Kondenswasserbildung. Bei einem ungekapselten System lassen sich Wassereinschlüsse nicht verhindern. Das eindringende Wasser stört die Elektronik und die Optik, der Sensor fällt aus.

Da sich Solarturm-Kraftwerke oft in abgelegenen Gebieten befinden und über mehrere Quadratkilometer erstrecken, bedeutet schon der Austausch eines einzelnen Drehgebers besonders großen Kosten- und Logistikaufwand. Bedenkt man, dass in großen Solarturm-Kraftwerken bis zu 20.000 optische Drehgeber verbaut sein können, von denen ein großer Teil verschleißbedingt defekt oder kurz vor einem Ausfall getauscht werden müssen, wird das Ausmaß eines Schadens für den Anlagenbetreiber deutlich. Hinzu kommen die Kosten für die Ausfallzeit des Kraftwerks. Der wartungsfreie QR24-Drehgeber ist mit seiner dauerhaften Staub- und Wasserdichtigkeit den optischen Encodern hier weit überlegen.

Die erste verfügbare Variante des Drehgebers ist eine parametrierbare SSI-Version, über dessen Schnittstelle der Anwender die Charakteristik und alle Parameter individuell abstimmen und die Single- oder Multiturn-Auflösung an die Bedürfnisse der Anwendung anpassen kann. Der Drehgeber kann Auflösungen bis 18 Bit realisieren, selbst bei sehr hohen Drehzahlen. Auch die Ausgangssignale kann der Anwender individuell parametrieren: als SSI-Gray- oder Binar-Signal in 24, 25 oder 26 Bit. Neben der SSI-Version bietet Turck in Kürze auch ein Modell mit analogem Ausgang und eine Inkrementalversion an. ge

Ebenso flexibel wie das Parametrierungskonzept des QR24 ist auch das Montagekonzept. Über Wellenadapter ist der Drehgeber auf allen gängigen Voll- und Hohl-Wellenstärken bis 20 mm einsetzbar. Der Sensor hat die Form eines Donuts und kann mit seinem Mittelloch auch über die Welle geschoben werden, der Positionsgeber lässt sich dahinter oder davor positionieren.

Weitere Infos und ein Video zur neuen Drehgeberreihe:

Neben der SSI-Version bietet Turck in Kürze auch ein Modell mit IO-Link an. Details zu diesem Protokoll bietet die Seite der Nutzerorganisation: