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Neue Freiheit: Der 3-D-Neigungswinkelsensor ist nicht – wie vergleichbare Lösungen – auf maximal ± 85° Messbereich beschränkt

Anpassbarer Neigungssensor mit Rundumsicht

Bisher war es für Anwender schwierig, die ±85°-Grenze bei Neigungssensoren zu überwinden. Der neue 3-D-Neigungswinkelsensor B2N-360 von Turck bietet nicht nur einen Messbereich von 360° auf zwei Achsen gleichzeitig, sondern lässt sich mittels IO-Link auch individuell vor Ort parametrieren. Damit kann dieses Modell nahezu alle Anwendungsfelder abdecken.

Das Prinzip bei der Neigungswinkelmessung basiert auf der Messung aller einwirkenden Beschleunigungskräfte und gleicht dem des Lotfällens, wobei sich eine Masse nach dem Gravitationsfeld ausrichtet. Dabei kann es sich um ein mechanisches Pendel, einen Biegebalken oder – wie beispielsweise in einer Wasserwaage – um eine Flüssigkeit handeln. Wie beim Lotfällen reagiert das Pendel jedoch nicht nur auf die Beschleunigungen, sondern auch auf Vibrationen und Stöße. Diese Faktoren stören damit auch die Neigungsmessung.

Störfaktoren
Dass Beschleunigung und Vibrationen das Messergebnis beeinflussen, liegt in der Physik begründet – genauer in der Trägheit des Pendels. Um diese Fehlerquelle zu beseitigen, eignen sich Filter, die spezielle Frequenzen der Messung ausblenden. Der Nachteil dieser voreingestellten Filter ist, dass sie die Einsatzbereiche eines Sensors stark eingrenzen. Unterschiedliche Vibrationsfrequenzen von Anlagen oder Fahrzeugen erfordern dann unterschiedliche Neigungswinkelsensoren, was die Beschaffung und Lagerhaltung verkompliziert.
Auch die werksseitige Nullstellung des Sensors erweist sich in vielen Anwendungen als unpassend, falls der Sensor nicht auf einer Ebene mit 0° montiert werden kann. In diesen Fällen müssen die Kunden Sonderlösungen mit spezi­fischen Nullstellungen von 10°, 20°, – 10°, – 20° usw. ordern oder sich mit mechanischen Lösungen behelfen, mit denen der Sensor in die 0°-Position justiert wird.

Individuell vor Ort parametrierbar
Um dieser Vielfalt zu begegnen, hat Turck mit dem Modell B2N-360 einen Neigungswinkelsensor entwickelt, bei dem der Kunde vor Ort jeden relevanten Parameter selbst einstellen kann: Nullpunkt, Schaltpunkte, Schaltfenster, Ausgangssignal, aber auch Vibrations-, Beschleunigungs- oder Stoßfilter. Die Parametrierung lässt sich leicht mit dem Kommunikationssystem IO-Link vornehmen. Dafür ist nicht einmal ein IO-Link-Netzwerk erforderlich. Eine Verbindung zu einem PC mit IO-Link-USB-Master genügt.
Um beispielsweise Vibrationen der Maschine auszublenden, misst man zunächst mit dem Neigungssensor die Vibrationsfrequenz einer Maschine und parametriert den Filter anschließend gezielt auf diese Frequenz. Mit diesem Filter wird anschließend ein bereinigtes Neigungssignal ausgegeben. Ähnlich können auch Beschleunigungen und Stöße aus dem Signal gerechnet werden. Analog dazu setzt der Anwender seinen eigenen Nullpunkt. Der Kunde kann den Sensor so montieren, wie es die Applikation erlaubt, und setzt erst anschließend den Nullpunkt.

360° auf zwei Achsen
Neben der Parametrierfunktion hat der B2N-360 noch eine weitere Besonderheit. Er erfasst volle 360° auf zwei Achsen. Dies ist zwar nur in wenigen Anwendungen tatsächlich erforderlich, lässt sich aber auch in Applikationen nutzen, in denen auf zwei Achsen Neigungen bis ±90° erfasst werden sollen. Herkömmliche Mems-Neigungssensoren – Mems steht für „Mikro-Elektro-Mechanische Systeme“ – schaffen hier maximal ±85°. Über die IO-Link-Schnittstelle ist auch der Messbereich spezifisch einstellbar, um beispielsweise ein höher aufgelöstes Signal auszugeben. Auch wenn nicht jede Anwendung die volle Funktionalität erfordert, hat der Kunde mit dem B2N-360 ein einziges Sensormodell, mit dem er Neigungsmessungen in unterschiedlichsten Anwendungs­feldern realisieren kann. Er muss somit nicht mehr ­unterschiedliche Modelle von Neigungswinkelsensoren für verschiedene Applikationen vorhalten.
Ein exemplarisches Einsatzgebiet sind Tunnelvortriebsmaschinen, die während des Vortriebs permanent präzise Informationen über ihre Lage benötigen. Die größten Schwierigkeiten an diesen Maschinen sind Vibrationen und die Tatsache, dass der Sensor in vielen Fällen nicht waagerecht montierbar ist. Mit dem B2N-360 misst der Kunde die Vibration der Maschine und blendet genau diese Frequenz aus. Die Montage kann fast beliebig erfolgen; da der Sensor volle 360° auf zwei Achsen erfasst, wird der Nullpunkt einfach nach der Montage parametriert.

3-D-Mems-Technologie
Die neuen Neigungssensoren von Turck basieren auf der sogenannten 3-D-Mems-Technologie. Deren Herzstück ist ein mikromechanisches kapazitives Sensorelement aus mehreren nebeneinander liegenden Plattenkondensatoren, die aus einer festen und einer beweglichen Platte bestehen. Wird der Sensor beschleunigt oder aus der lotrechten Position gebracht, verschiebt sich die bewegliche Platte und das Kapazitätsverhältnis der Kondensatoren ändert sich.
Die Sensoren arbeiten als Feder-Masse-Systeme, deren Federn aus Silizium-Stegen bestehen, die nur wenige Mikrometer breit sind. Auch die Masse ist aus Silizium hergestellt. Durch die Auslenkung bei Beschleunigung oder Neigung kann zwischen den gefedert aufgehängten Teilen und den festen Bezugselektroden eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden.

Zwei Varianten
Der neue Turck-Sensor eignet sich – nicht zuletzt dank seiner Schutzart IP69K – für nahezu alle Anwendungsfälle. Das vereinfacht die Logistik sowie die Instandhaltung. Schließlich ist der Austausch im Handumdrehen erledigt, da die Parameter steuerungsseitig gespeichert sind. Über IO-Link lassen sich diese direkt in das Austauschgerät einspielen. Den B2N-360 gibt es in zwei Varianten: Neben der Industrie-Ausführung für den Temperaturbereich von –25 °C bis 75 °C, die sich beispielsweise zur Neigungserfassung an Solarpanels oder Robotern ebenso nutzen lässt wie zur Vibrations- und Stoßmessung, ist auch eine Version für Nutzfahrzeuge und Baumaschinen verfügbar, die nach e1-Spezifikation entwickelt wurde. Diese wird mit der Bordnetz-üblichen Eingangsspannung von 8 V bis 30 V betrieben und widersteht Temperaturen von –40 °C bis 85 °C sowie anderen Belastungen, die beim Einsatz auf Nutzfahrzeugen auf ihn zukommen. Die Ausgangssignale beider Sensorvarianten lassen sich innerhalb der Standardsignalbereiche (0…10) V oder (4…20) mA individuell definieren.

Sander Makkinga, Produktmanager Positions- und ­Näherungssensoren, mit dem Magnetfeldsensor

Walter Hein, Produktmanager RFID, mit dem UHF-Schreiblesekopf

Messe-Neuheiten
Auch auf der diesjährigen SPS IPC Drives stellt Turck wieder eine Reihe neuer Produkte vor. Dazu gehören ein Mini-Magnetfeldsensor für Kurzhubzylinder, aktive Passivverteiler, ein UHF-Schreiblesekopf und Wireless-Sensoren.

Der IP67-geschützte und 19,7 mm kurze Magnetfeldsensor BIM-UNTK bietet sich zur Erfassung von kurzen Hubzylindern, Pneumatikspannern und -greifern an. Er verschwindet vollständig in der Nut und bietet so keine Angriffsfläche für eventuelle mechanische Beschädigungen. Der Sensor lässt sich mit einer Hand mit einer Inbusspreizschraube in einer Standard-T-Nut befestigen. Mittels Zubehör ist er auf alle Standard-Zylinderbauformen adaptierbar. Eine rundum sichtbare LED ermöglicht das Ablesen der Hubzylinderposition direkt vor Ort.
Die Familie an Passivverteilern mit vier-, sechs- und achtkanaligem Gehäuse bekommt durch zwei aktive IO-Link-Varianten Zuwachs. Diese bringen über eine einzige Standardleitung 16 Schaltsignale von der Maschine zum Schaltschrank. Statt 19 muss man mit den IO-Link-Verteilern nur noch drei Adern auflegen. LED zeigen den Schaltzustand jedes einzelnen Eingangs an.
Der IP67-geschützte UHF-Schreiblesekopf TN865-Q175L200-H1147 ist das erste Ergebnis der Kooperation mit dem UHF-RFID-Spezialisten Deister Electronic. Er hat eine Reichweite von bis zu 5 m zum Lesen und 2,5 m zum Schreiben. Der Zustand wird akustisch und visuell angezeigt. Das Gehäuse ist nur 175 mm x 200 mm x 60 mm groß und hat keine Hinterschneidung, sodass sich keine Ablagerungen absetzen können. Optional gibt es Zubehör zum Fokussieren und Verstärken des Lesefelds.
Die IP67-geschützten Funksensoren der Q45-Reihe sind vollkommen unabhängig und für den industriellen Einsatz geeignet. Sie geben eine Rückmeldung und erlauben somit eine Status- und Diagnosemeldung. Neben einer Lichtschranke und einem Winkellichttaster gibt es noch ein Basisgerät zum Anschluss von LWL sowie ein Anschlussmodul für Namur-Sensoren und potentialfreie Kontakte. Die Sensoren prüfen im Hintergrund kontinuierlich, ob die 2,4-GHz-Funkverbindung zum Gateway stabil ist, und geben bei einem Verbindungsabbruch ein Warnsignal. Eine Signalstärkeanzeige im LCD des Gateways vereinfacht die Inbetriebnahme.

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Autor: André Brauers ist Produktmanager Linear- und Drehwegsensoren bei Turck in Mülheim