Die Wahl des richtigen Drehzahlsensors für eine Anwendung ist von entscheidender Bedeutung für eine genaue und zuverlässige Messung. Schließlich ist das Signal des Sensors der Eingang für ein Überdrehzahlschutzsystem. Ein fehlerhafter Sensor führt zu einem unzuverlässigen Eingangssignal und hat einen negativen Einfluss auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Schutzsystems.
Bei der Auswahl des richtigen Sensors sind verschiedene Überlegungen anzustellen, die sich in Umwelt- und Maschinenüberlegungen einteilen lassen.
Überlegungen zur Maschine:
- Wie hoch ist die erwartete RPM-Reichweite?
- Was ist das Ziel, das gemessen wird, und was sind seine Spezifikationen?
- Gibt es Beschränkungen hinsichtlich des Gewichts und der Größe am Montageort?
- Welche Kabellänge ist erforderlich?
Umweltaspekte:
- Wie hoch ist die erwartete Umgebungstemperatur?
- Findet die Messung in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX) statt?
- Sind starke elektromagnetische Felder vorhanden?
- Findet die Messung in einer korrosiven Umgebung statt?
Für industrielle Drehzahlmessungen gibt es drei Haupttypen von Messprinzipien:
- Elektromagnetische Sensoren - auch bekannt als passive Sensoren, variable Reluktanzsensoren (VR) oder magnetische Aufnehmer
- Näherungssensoren - auch bekannt als: Wirbelstromsensoren oder Wegsensoren
- Hall-Effekt-Sensoren - auch bekannt als: aktive Sensoren
Elektromagnetische Sensoren
Ein elektromagnetischer Sensor nutzt ein Magnetfeld, um Änderungen des Abstands zwischen der Sensorspitze und dem Zielobjekt zu messen. Der Sensor enthält eine Spule, die um einen Magneten gewickelt ist, der eine Änderung des magnetischen Stroms (Flusses) und der Spule bewirkt, wenn die Zähne eines Zahnrads den Sensor passieren. Das sich bewegende Zahnrad erzeugt einen variierenden Fluss, der in der Spule eine proportionale Spannung induziert, deren Frequenz mit der Drehgeschwindigkeit zusammenhängt. Das Signal ist eine Sinuswelle, deren Amplitude von der Größe des Ziels, der Drehzahl und der Entfernung abhängt.
Vorteile
Ein Vorteil der elektromagnetischen Sensoren ist ihre Anwendbarkeit bei hohen Temperaturen. Es gibt bestimmte Arten von Sensoren, die für Temperaturen von mehr als 300 °C geeignet sind. Außerdem sind elektromagnetische Sensoren einfach zu bedienen und sehr zuverlässig. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass der Sensor über einen Zweidrahtanschluss verfügt und daher oft in bestehende Infrastrukturen passt.
Benachteiligungen
Ein großer Nachteil elektromagnetischer Sensoren besteht darin, dass die Amplitude des Signals von einem Faktor abhängt, der von der Größe, der Drehzahl und dem Abstand des Messobjekts abhängt. Ist die Drehzahl zu niedrig, die Verzahnung zu klein oder der Abstand zum Zielmaterial zu groß, ist das Signal zu flach. Ist die Drehzahl hingegen hoch, der Zahn groß oder der Abstand klein, zeigt das Signal starke Impulse (bis zu 80 V). Die Anwendung und Positionierung von elektromagnetischen Sensoren erfordert viel Aufmerksamkeit und Fachwissen, damit die Sensoren ordnungsgemäß funktionieren. Da diese Art von Sensoren bei niedrigen Drehzahlen nicht gut funktionieren, sind sie für die Erkennung des Stillstands nicht geeignet.
Annäherungssensoren
Ein Näherungssensor nutzt ein elektromagnetisches Feld, um Änderungen im Abstand zu einem Objekt zu messen. Wenn sich ein Zahnrad am Sensor vorbeibewegt, misst er eine Abstandsänderung: nah (Zahn) und fern (Kerbe). Die Drehgeschwindigkeit kann anhand der Zeit zwischen diesen Ereignissen bestimmt werden.
Vorteile
Ein großer Vorteil von Näherungssonden ist, dass das Messprinzip sowohl die Impulse als auch die Position in Bezug auf die Zähne anzeigt. Dies gibt Aufschluss über den eingestellten Abstand zu den Zähnen des Messobjekts.
Näherungssensoren sind auch mit einem dynamischen Stromausgang erhältlich, der sehr große Kabellängen (1000m+) ermöglicht. Sensoren mit einem dynamischen Stromausgang werden nicht durch die Kabelimpedanz beeinflusst, wie dies bei Näherungssensoren auf Basis von Spannungssignalen, Hall-Effekt und elektromagnetischen Sensoren der Fall ist.
Benachteiligungen
Die Verwendung von Näherungssensoren für Drehzahlmessungen hat einen Nachteil. Bei hohen Drehzahlen kann es zu einer Sättigung kommen, wodurch die Sinuskurve zunehmend abgeflacht wird. Wenn sich der Zahn des Getriebes bei hohen Drehzahlen am Sensor vorbeibewegt, erkennt ein Näherungsschalter kaum noch einen Abstandsunterschied. Je höher die Drehzahl ist, desto weniger effektiv ist ein Näherungsschalter für die Drehzahlmessung.
Ein weiterer Nachteil ist, dass ein Näherungssensor die Exzentrizität des Ziels nicht gut verarbeiten kann. Die Exzentrizität des Ziels (ein schwingendes Zahnrad) erzeugt einen Sinus innerhalb eines Sinus. Dies führt zu Problemen, insbesondere dann, wenn eine Sättigung des relevanten Signals auftritt. Der Sensor kann den Sinus der Exzentrizität des Zahnrads ausgeben, anstatt den Sinus der Zähne und Kerben.
Hall-Effekt-Sensoren
Ein Hall-Effekt-Sensor misst Änderungen des magnetischen Flusses zwischen dem Magneten und dem Zielmaterial. Die Sensoren haben eingebaute Signalaufbereiter, die ein klares Rechtecksignal erzeugen. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Sensoren reagieren Hall-Effekt-Sensoren auf die Größe des magnetischen Flusses und nicht auf die Drehzahl, mit der er sich ändert. Hall-Effekt-Drehzahlsensoren haben einen breiten Messbereich und können sowohl für die Messung von langsam laufenden oder stationären Teilen als auch für die Messung von schnell laufenden Teilen verwendet werden.
Vorteile
Ein Vorteil eines Hall-Effekt-Sensors ist, dass der Sensor direkt ein digitales Ausgangssignal liefert, das sich leicht übertragen und verarbeiten lässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass Hall-Effekt-Sensoren in der Regel über eine interne Signalverarbeitung verfügen. Das Signal wird sehr schnell digitalisiert und verstärkt, wodurch es weniger anfällig für Störungen wie EMI (elektromagnetische Störungen) ist.
Benachteiligungen
Aufgrund der eingebauten Elektronik sind Halleffekt-Sensoren auf Anwendungen beschränkt, die in einem Temperaturbereich von -40 °C bis + 150 °C arbeiten. Außerdem benötigen Hall-Effekt-Sensoren einen 3-Leiter-Anschluss.
Warum Hall-Effekt-Sensoren bevorzugt werden:
- Zuverlässige Drehzahlerfassung aus dem Stillstand. Das ermöglicht die Messung von Frequenzen ab 0,1 Hz.
- Digitale Signale sind für große Entfernungen (bis zu 300 m) geeignet.
- Rechtecksignale lassen sich von Geschwindigkeitssystemen leicht verarbeiten.
- Es ist möglich, zwei Sensorelemente in ein Sensorgehäuse zu bauen, was Richtungsmessungen ermöglicht.
- Die Konstruktion des Sensors ist kleiner und leichter (Gewicht) als andere Drehzahlsensoren.
- Ein Halleffekt-Sensor ist weniger schwierig richtig zu positionieren als ein elektronischer Sensor und weniger empfindlich gegenüber der Exzentrizität des Ziels als Näherungssensoren.
- Dieser Sensortyp ist am wenigsten empfindlich gegenüber Vibrationen und Temperaturschwankungen.
Siehe auch: Überdrehzahlschutzsysteme »
