Lösungen für die technischen Herausforderungen der Drehpositionserfassung in rauen Umgebungen

Die Drehpositionserfassung ist für viele anspruchsvolle Anwendungen, bei denen eine zuverlässige Positions- und Bewegungsüberwachung für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich ist, von grundlegender Bedeutung. Herkömmliche kontaktbasierte Messmethoden können sich im Laufe der Zeit aufgrund von Verschleiß, Verschmutzung oder mechanischer Belastung verschlechtern. Berührungslose Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren erfüllen die Anforderungen, indem sie eine zuverlässige, hochpräzise Positionsrückmeldung in einer Vielzahl von Anwendungen liefern, darunter Produktionsmaschinen, Automatisierung, Materialhandhabung, Robotik, Positionierung von Solarzellen, Durchflussmessern, Ventilen, Dämpfern, Transportmitteln und Geländewagen.

Hall-Effekt-Sensoren beruhen auf dem wissenschaftlichen Prinzip des Hall-Effekts, benannt nach dem bekannten amerikanischen Physiker Edwin Hall, der das Phänomen 1879 entdeckte. Sensoren, die nach dem Hall-Effekt-Prinzip arbeiten, erzeugen ein Positionssignal, wenn sich ein stromdurchflossenes Halbleitermaterial in einem Magnetfeld befindet, das senkrecht zum Strompfad steht. Das Magnetfeld übt eine Kraft auf die beweglichen Ladungsträger aus, was zu ihrer Verschiebung und Anhäufung auf einer bestimmten Seite des Materials führt. Folglich induziert diese Ladungsentmischung eine Spannung über dem Material, die als Hall-Spannung (V_H) bezeichnet wird.

Konfigurationen von Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren

Bei Drehpositionssensoren erfasst ein Hall-Effekt-IC Änderungen in einem Magnetfeld, das von einem an einer rotierenden Welle befestigten Magneten erzeugt wird, und liefert eine zur Winkelposition proportionale Ausgangsspannung. Diese Sensoren verwenden eine externe Gleichspannungsversorgung zur Stromversorgung des stationären ICs; bei einer geregelten Stromversorgung sind sie für den Betrieb mit 5 V_DC ausgelegt.

Wenn sich die Welle dreht, misst der interne Sensor die induzierte proportionale Spannung (Hall-Spannung) aufgrund von Änderungen der Magnetfeldstärke. Diese wird in ein genaues Gleichspannungssignal umgewandelt, das die Winkelposition für zwei grundlegende Anwendungsfälle darstellt:

• Das Gleichspannungssignal kann direkt verwendet oder verstärkt werden, um ein proportionales analoges Stellglied anzusteuern und so einen geschlossenen Regelkreis auf der Grundlage der Drehbewegung zu schaffen.
• Das Gleichspannungssignal kann an einen Analog/Digital-Wandler (ADC) angeschlossen werden, um einen digitalen Wert zu erhalten, der von SPSen (speicherprogrammierbaren Steuerungen), Mikrocontrollern oder anderen digitalen elektronischen Systemen verwendet werden kann.

Die RTY-Serie mit zwei Ausgängen bietet echten, berührungslosen Betrieb

Um diese Prinzipien in die Praxis umzusetzen, bieten die hochpräzisen Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren der Serie RTY mit zwei Ausgängen (Abbildung 1) von Honeywell Sensing eine robuste, langlebige Leistung und eine erhöhte Produktlebensdauer. Die Sensoren der RTY-Serie, die für raue und robuste Anwendungen entwickelt wurden, werden von einer externen Gleichstromversorgung gespeist und liefern einen Gleichspannungsausgang, der proportional zu ihrer Drehwinkelposition ist, typischerweise im Bereich von 0,5 V_DC bis 4,5 V_DC, mit einer Auflösung von 12 Bit. Viele Sensoren bieten einen zweiten proportionalen, invertierten Ausgang von 4,5 V_DC bis 0,5 V_DC, der einen Vergleich der beiden Ausgänge ermöglicht, um sicherzustellen, dass die Komponente ordnungsgemäß funktioniert.

Abbildung 1: Die Drehpositionssensoren der Serie RTY von Honeywell Sensing sind für raue Anwendungen konzipiert, die eine präzise Positions- und Bewegungsüberwachung erfordern. (Bildquelle: Honeywell Sensing)

Zu den Merkmalen der Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren der Serie RTY gehören:

• AMPSEAL-Anschlüsse nach Industriestandard
• Doppelsignalfähigkeit zur Ermöglichung von Redundanz und Gewährleistung von Genauigkeit
• Produktlebensdauer von 35 Mio. Zyklen, die einen langfristigen Einsatz in Anwendungen mit hohem Arbeitszyklus ermöglicht
• Betriebstemperaturbereich -40 °C bis +125 °C (-40 °F bis +257 °F)
• EMI/EMC-Prüfung nach Automobilstandard

Alle Konfigurationen der Sensoren der Serie RTY sind auch mit oder ohne Hebel auf der integrierten Welle erhältlich (Abbildung 2), was sich auf die Anzahl der für bestimmte Anwendungen erforderlichen mechanischen Verbindungen auswirken kann und sie für einige Lösungen kostengünstig macht.

Abbildung 2: Die Hall-Effekt-Drehpositionssensoren der Serie RTY sind in Versionen mit oder ohne Hebel erhältlich und ermöglichen so Flexibilität bei mechanischen Verknüpfungen. (Bildquelle: Honeywell Sensing)

Die zahlreichen Variationen der Sensoren ermöglichen es, eine Vielzahl von technischen Anforderungen zu erfüllen, vom Messbereich über den Ausgangstyp bis hin zum Aktuatortyp. Sie sind nachlauftolerant und in acht konfigurierbaren Betriebsbereichen erhältlich. Der RTY050LVDDX beispielsweise bietet Entwicklern einen Erfassungsbereich von 50° (±25°), während der RTY360LVDEX 360° (±180°) ermöglicht. Die RTY-Serie bietet außerdem sowohl Standard- als auch inverse Ausgangskonfigurationen, um eine den Systemanforderungen entsprechende Ausgangscharakteristik zu ermöglichen.

Die Sensoren sind mit elektrischen Signalaufbereitungs- und Schutzschaltungen in einem versiegelten, IP69K-qualifizierten, robusten Gehäuse untergebracht, das eine lange Lebensdauer in den meisten rauen Umgebungen gewährleistet. Diese Art von Gehäuse ist ideal für hygienische, abwaschintensive Umgebungen, einschließlich Lebensmittelverarbeitung, Pharmazeutika und intensive Fahrzeugreinigung. Die höchste Schutzart, IP69K, gewährleistet, dass die Sensoren vollständig staubdicht und gegen Hochdruck- und Hochtemperaturreinigung geschützt sind. Die Montage erfolgt mit nichtmagnetischen M5-Schrauben aus Edelstahl und Scheiben mit 10 mm Außendurchmesser.

Anwendungsbeispiele für Drehwinkelsensoren

Die RTY-Serie gehört zur Familie der robusten und zuverlässigen Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren von Honeywell und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden:

Schifffahrt: Diese Sensoren werden für Ruderlagenerkennungssysteme in Booten und Sportbooten verwendet. Ein Hall-Effekt-Drehpositionssensor ist am Lenkgestänge angebracht, und die Positionssignale werden an eine Digitalanzeige im Armaturenbrett zurückgemeldet, die die Ruderposition anzeigt. Der Positionssensor kann auch zur Erkennung der Position von Trimmklappen verwendet werden, die zur Stabilisierung von Wasserfahrzeugen beitragen und ihnen ein schnelleres Ausgleiten ermöglichen, um die Geschwindigkeit und Effizienz zu erhöhen.

Transport: Hall-Effekt-Drehpositionssensoren können die mechanische Kabelverbindung zwischen dem Fußpedal und dem Motor in Schwerlastmaschinen und anderen Fahrzeugen ersetzen. Der Sensor kann zum Beispiel in der Nähe des Pedals angebracht werden, um zu messen, wie weit das Pedal von der Bedienungsperson niedergedrückt und losgelassen wird. Es erkennt die Veränderung der Pedalstellung und sendet ein Signal an den Motor, um den Benzin- und Luftstrom über die Drosselklappe je nach Bedarf zu erhöhen oder zu verringern.

Durch den Wegfall des mechanischen Kabels, das sich dehnen und rosten kann, lässt sich das Ansprechverhalten des Motorsteuerungssystems verbessern, was sich wiederum positiv auf die Emissionen des Fahrzeugs auswirkt, die Zuverlässigkeit erhöht und das Übergewicht des Fahrzeugs reduziert. Diese Art von Drive-by-wire-Systemen kann sicherer und kostengünstiger sein als kabelgebundene Systeme.

Industrie: Hall-Effekt-Drehwinkelsensoren können auch eine zuverlässige Rückmeldung von Ventilpositionen liefern, um eine hochpräzise Durchflussregelung zu erreichen, insbesondere in rauen Umgebungen mit Anforderungen an einen großen Temperaturbereich. Die Erfassung der Ventilstellung ist entscheidend für die Gewährleistung von Prozessgenauigkeit, Systemsicherheit und Betriebseffizienz, da sie dem Bedienpersonal und den automatisierten Steuerungssystemen genaue Echtzeitdaten über den Ventilstatus liefert. Die Verwendung der Positionsrückführung reduziert Hysterese und Totzeit und ermöglicht eine schnellere und gleichmäßigere Reaktion auf Prozessänderungen.

HLK: Zur Regulierung des Luftstroms in HLK-Anwendungen ermöglichen Sensoren für die Rückmeldung der Klappenposition eine genauere Steuerung für die Umwelteffizienz und den Komfort der Bewohner. Die Erfassung der Klappenposition ist entscheidend für die Aufrechterhaltung eines präzisen HLK-Luftstroms, die Optimierung der Energieeffizienz durch Vermeidung einer Überbeanspruchung der Lüfter, die Gewährleistung der Sicherheit durch Rauch-/Brandschutz und die Bereitstellung von Rückmeldungen an Automatisierungssysteme zur Vermeidung von Betriebsstörungen.

Landwirtschaft: Diese Sensoren funktionieren auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen im Freien und ermöglichen eine genaue Rückmeldung zur Steuerung von Bewässerungsanlagen, so dass Landwirte ihre Bewässerungsanlagen aus der Ferne überwachen, verwalten und automatisieren können, was die Wassereffizienz erhöht und den Arbeitsaufwand verringert.

Fazit

Berührungslose Hall-Effekt-Drehpositionssensoren bieten eine zuverlässige, langlebige Lösung für die Positionserfassung in rauen, anspruchsvollen Umgebungen. Durch die Eliminierung mechanischer Verschleißpunkte und die Lieferung präziser, proportionaler Ausgangssignale verbessern diese Sensoren die Systemleistung, verringern den Wartungsaufwand und verlängern die Betriebslebenszyklen. Lösungen wie die RTY-Serie von Honeywell kombinieren eine robuste Konstruktion mit flexiblen Konfigurationen und Schutz gegen Umwelteinflüsse, um eine präzise Bewegungssteuerung in einer Vielzahl von Industrie- und Transportanwendungen zu unterstützen.