Magnetische sensoriek
Waar de optische encoder tekort schiet…
ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
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Encoders op basis van magnetische sensoriek houden in tegenstelling tot de
optische hoekmeters hogere belastingen in ruwere omgevingen uit. Siko
heeft voor haar incrementele encoders dit meetconcept in een compacte,
gestandaardiseerde behuizing geïntegreerd.
Inkrementele encoders of ook hoekstandmeters genoemd
worden heden ten dagen in alle takken van de industrie ingezet om hoek- en
wegverplaatsingen te meten. In toepassingen gaande van kleine
bureauartikelen (bijv. Printers) tot complete installaties en machines in
alle mogelijke omstandigheden worden inkrementele encoders in
verschillende bouwvormen ingezet. De aftasting bij deze hoekmeters gebeurt
overwegend optisch door middel van interne transparante schijven voorzien
van een licht-donker-raster die in combinatie met een miniatuur
lichtgordijn zorgen voor impulsen (proportioneel voor de draaibeweging,
telimpulsen). Bij kritische toepassingen waarbij de sensor in vochtige en
vieze omstandigheden wordt ingezet, is het gebruik van optische sensoren
problematisch. Door het indringen van vocht in het encoderhuis wordt de
codering vervalst en compleet onbetrouwbaar. Ook trillingen en schokken
zoals bij sterk mechanisch belaste machines zijn sterk belastend en
verstorend voor de veelvuldig uit glas vervaardigde codeerschijven.
Bijkomstig zorgen sterke radiale en axiale krachten op de encoderas voor
een verschuiving tussen lichtgordijn en codeerschijf, waardoor de
uitgelezen waarde van de sensor verandert. Het optische zender- en
ontvangersysteem heeft een maximale bedrijfsduur van 100000h, de
eigenschappen van de componenten veranderen door het verouderingsproces
totdat ze zelfs stoppen met werken.
Oplossing met magneten
Magnetische hoekmeters uit de serie Rotamag bieden een mogelijk
alternatief voor de wereldwijd verspreide optische encoders, daar waar de
omgevingsomstandigheden iets te ruw worden. Verhoogde vochtigheid,
vervuiling van stof en olie, temperatuuromschakelingen, sterke trillingen
en schokken, evenals extreem mechanische belasting op de sensor zelf doen
geen inbreuk op de betrouwbaarheid van deze encoder.
Desbetreffende encodertype onderscheidt zich van andere magnetische
encoders doordat het encoderconcept in compacte gestandaardiseerde
behuizingen geïntegreerd kan worden en daarmee zonder aanpassing direct
uitgewisseld kan worden met de meeste optisch hoekmeters. Een bijkomstige
interpolatie van het gemagnetiseerde signaal maakt het mogelijk een
resolutie tot 1280 pulsen per omwenteling te verkrijgen. Zoals bij de
optische hoekmeter wordt er gebruik gemaakt van een referentie-impuls om
een nauwkeurige kalibratie van het systeem te doen. In de toekomst zal men
optioneel kunnen kiezen voor een hogere resolutie van het systeem door
betere interpolatie en voor een batterij gebufferde absolute encoder om
toch de voordelen van de magnetische techniek voor iedereen beschikbaar te
maken.
Eigenschappen
Om de genoemde gebreken van optische sensoriek te compenseren zonder
daarbij de kostprijs ten opzichte van deze optische sensoren de hoogte in
te jagen, was er nood aan een nieuwe technologie. Afgeleid van de
magnetische lineaire meettechniek worden met de nieuwe Rotamag serie,
rotatieve meetopnemers of encoders met magnetische ringaftasting in het
leven geroepen.
Het principe valt terug op een magnetische ferrietring waarop
afzonderlijke polen aangebracht zijn. Deze poolwisselingen worden door een
speciale sensorchip afgetast en over een interpolatie-ASIC in inkrementele
pulsen omgezet. De hoognauwkeurige kalibratie nulimpuls wordt over een
tweede magnetisch spoor gegenereerd.
Het zwakke punt bij encoders met betrekking tot de afscherming van de
interne elektronica voor externe vochtigheid is overwegend het kogellager.
Omdat de encoderas soepel moet kunnen bewegen, is een opening tussen
roterende as en behuizing noodzakelijk. Indien nu dergelijke encoder zich
onder een sterke invloed van vloeistof of vochtigheid bevindt, bestaat
zelfs bij een hogere afschermingsklasse van kogellagers toch nog immers
het gevaar dat dit vocht zich na bepaalde tijd een weg in de behuizing
baant. Deze toestand laat zich ook bij de magnetische encoder Rotamag niet
verhinderen, met uitzondering van het feit dat de interne magneetring en
de sensorelektronica ook bij direct contact met vocht met 100%
betrouwbaarheid blijven verder functioneren.
Schokken en trillingen
De magnetische encoder Rotamag bezit geen breekbare componenten die
onder zware omstandigheden en mechanische invloeden beschadigd kunnen
worden. Bewegingen tussen de magnetische ring en de sensoriek zijn zogoed
als onkritisch daar de maximale afstand tussen de magnetische sensor-chip
en de magneetring mag oplopen tot 2mm. Deze waarde is tegelijkertijd de
maximale tolerantie voor een goede uitlezing. De gebruikte componenten in
de magnetische encoder hebben in tegenstelling tot hun optische vriend
geen gespecificeerde maximale levensduur.
Toepassingen
De magnetische encoder is zowel mechanisch als elektrisch 100%
compatibel met de optische encoders in standaarduitvoering. Daardoor
bestaat de mogelijkheid de Rotamag precies daar in te zetten waar het
gebruik van optische encoders met permanente onderhoudstussenkomsten
gepaard gaat.
Bij steenverwerkingsmachines bijvoorbeeld worden steenplaten gezaagd en
gebruikelijk gebeurt dit met veel water om te koelen tijdens het
versnijden of het boren. Optische encoders zijn enkel inzetbaar wanneer ze
zo op de machine gepositioneerd worden dat de vochtinslag gering blijft.
De magnetische encoder daarentegen kan direct op zaagbladaanslag
gemonteerd worden zonder enige afschermmaatregelen.
Bij houtbewerkingsmachines worden grondstoffen met grote dichtheid
gebruikt (bv.MDF), die uit zeer fijne houtpartikels zijn samengesteld.
Deze komen bij het bewerken door zagen, schuren en boren terug vrij en
zetten zich in tegenstelling tot vocht niet alleen daar af waar de
bewerking plaats grijpt, maar over de gehele machine. Ook in de bouw- en
landbouwindustrie heeft de sturingstechniek reeds geruime tijd zijn
intrede gedaan, waarbij ook gebruik gemaakt wordt van sensoriek om een
terugmelding van de uitgevoerde asbeweging te verschaffen. In dit
“heavy-duty” bereik worden op basis van het permanente gebruik in
openlucht onder verscheidene klimaatsveranderingen en onder invloed van
vuil en vocht, de hoogste eisen gesteld aan de ingezette sensoriek.
Bij machines in de voedingsindustrie worden dan weer de hoogste eisen
gesteld aan de zuiverheid en de hygiëne in de productieomgeving. Dit houdt
in dat na ieder productieproces de installatie degelijk gereinigd en
gedesinfecteerd moet worden. Agressieve reinigingsmiddelen, die in sommige
gevallen ook onder druk worden ingezet, komen regelmatig met de sensoriek
in aanraking.
Kenmerken
Rotamag produceert in overeenstemming met de draaibeweging
inkrementele, 90° faseverschoven blokimpulsen, die 100% compatibel zijn
met andere gangbare inkrementele sensoren. Voor een nauwkeurige kalibratie
wordt een impuls per omwenteling ter beschikking gesteld en heeft men een
maximale resolutie van 1280 impulsen per omwenteling.
De sensor vervult bij een vergoten elektronica de IP67 vorderingen. Voor
de mechanische inbouw staan standaardbehuizingen ter beschikking waaronder
de volle as met 58mm servo- of klemflens of de holle as variant met 58mm
flens en met een maximale binnendiameter van 22mm in de holle as.
De toekomstige ontwikkelingen streven naar een hogere impulsresolutie bij
een zelfde, compacte bouwvorm door middel van nieuwe
interpolatietechnieken. Verder zal men ook werken aan de verdere
ontwikkeling van de absolute variant. <<
Codeur à capteur magnétique
Là où le capteur optique est mis en défaut
Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
Contrairement aux capteurs d’angle optiques, les codeurs à capteur
magnétique résistent à des charges plus importantes dans des
environnements plus agressifs. La société Siko a intégré ce concept de
mesure dans ses codeurs incrémentaux qu’elle a placés dans des boîtiers
compacts et standard.
Les codeurs incrémentaux, également appelés capteurs d’angle, sont
utilisés aujourd’hui dans toutes les branches de l’industrie pour mesurer
les déplacements angulaires et linéaires. Les diverses exécutions des
codeurs incrémentaux sont mises en œuvre dans des applications allant des
petits articles de bureau (par ex. les imprimantes) aux installations et
machines complexes subissant toutes les conditions environnementales
possibles. Le balayage de ces capteurs d’angle est principalement optique.
Il se fait à l’aide de disques transparents internes dotés d’une trame
clair-foncé qui génèrent, en combinaison avec une barrière lumineuse
miniature, des impulsions (proportionnelles pour les mouvements de
rotation, impulsions de comptage). L’utilisation de capteurs optiques se
révèle problématique dans les applications critiques où le capteur doit
fonctionner dans des conditions humides et crasseuses. L’infiltration d’humidité
dans le corps du codeur fausse le codage et le capteur n’est plus du tout
fiable. Les vibrations et les chocs des machines soumises à de fortes
charges mécaniques représentent aussi une sérieuse charge et perturbation
pour les disques de codage fabriqués en verre. Les forces radiales et
axiales importantes, subies par l’axe du codeur, engendrent par ailleurs
un déplacement entre la barrière lumineuse et le disque de codage,
modifiant ainsi la valeur que lit le capteur. Le système d’émission et de
réception optique a une durée de service maximale de 100.000 h. Les
caractéristiques des composants évoluent avec le processus de
vieillissement jusqu’à finir par ne plus fonctionner.
Les aimants solutionnent le problème
Les capteurs d’angle magnétiques de la série Rotamag de Siko offrent
une alternative éventuelle aux codeurs optiques distribués de par le
monde, lorsque les conditions environnementales deviennent trop rudes. Une
humidité accrue, une pollution par la poussière et l’huile, des variations
de température, des vibrations et chocs importants de même qu’une charge
mécanique extrême appliquée sur le capteur n’entravent en rien la
fiabilité de ce codeur.
Contrairement aux autres codeurs magnétiques, le concept du codeur a été
intégré dans des boîtiers compacts et standard, ce qui permet un échange
direct sans aucune adaptation avec la plupart des capteurs d’angle
optiques. Une interpolation supplémentaire du signal magnétique permet d’obtenir
une résolution atteignant 1280 impulsions par rotation. A l’instar du
capteur d’angle optique, on utilise une impulsion de référence pour
calibrer le système avec précision. A l’avenir, il sera possible de
choisir en option une plus grande résolution du système par une meilleure
interpolation et un codeur absolu bufférisé par batterie afin de pouvoir
mettre les avantages de la technique magnétique à la disposition de tous.
Caractéristiques
Afin de pallier les défauts du capteur optique sans augmenter
déraisonnablement leur prix de revient, il fallait trouver une nouvelle
technologie. Les transmetteurs de mesure rotatifs ou codeurs à balayage
circulaire magnétique de la nouvelle série Rotamag sont dérivés de la
technique de mesure linéaire magnétique.
Le principe repose sur un anneau en ferrite magnétique doté de pôles
distincts. Ces changements de pôle sont balayés par une puce de capteur
spéciale et convertis en impulsions incrémentales par un ASIC d’interpolation.
L’impulsion de calibrage zéro très précise est générée sur une deuxième
piste magnétique.
Le roulement à billes constitue le principal point faible des codeurs en
matière de protection de l’électronique interne contre l’humidité
extérieure. Puisque l’axe du codeur doit pouvoir bouger souplement, une
ouverture ente l’axe rotatif et le boîtier est indispensable. Si un tel
codeur se trouve maintenant sous la forte influence d’un liquide ou d’une
humidité, cette humidité risque toujours de s’infiltrer dans le boîtier
après un certain temps même avec des roulements à bille dotés d’une classe
de protection supérieure. Le codeur magnétique Rotamag ne peut lui non
plus éviter une telle situation mais la bague magnétique interne et l’électronique
du capteur continuent à garantir un fonctionnement absolument fiable même
en cas de contact direct avec l’humidité.
Chocs et vibrations
Le codeur magnétique Rotamag ne comprend pas de composants fragiles
susceptibles d’être endommagés dans des conditions agressives ou suite à
des influences mécaniques. Les mouvements entre l’anneau magnétique et le
capteur ne sont pour ainsi dire pas critiques puisque la distance maximale
entre la puce-capteur magnétique et l’anneau magnétique peut aller jusqu’à
2 mm. Cette valeur représente simultanément la tolérance maximale pour une
bonne lecture. Contrairement à leur ami optique, les composants utilisés
dans le codeur magnétique n’ont pas de longévité maximale spécifiée.
Applications
Le codeur magnétique est compatible à 100% tant mécaniquement qu’électriquement
avec les versions standard des codeurs optiques. De ce fait, le Rotamag
peut être mis en œuvre là où l’utilisation de codeurs optiques nécessite
des interventions d’entretien constantes.
Dans les machines de découpe de la pierre par exemple, le sciage des
plaques de pierre nécessite habituellement beaucoup d’eau pour refroidir
l’outil durant la découpe ou le forage. Les codeurs optiques ne peuvent
être utilisés que là où leur positionnement sur la machine minimise au
maximum l’impact de l’humidité. En revanche, le codeur magnétique peut
être monté directement sur le porte-lame de scie sans nécessiter aucune
mesure de protection.
Dans le secteur du bois, on utilise des matières premières à grande
densité (le MDF par exemple), composées de très fines particules de bois.
Lors du sciage, du ponçage et du forage, celles-ci se libèrent et,
contrairement à l’humidité, elles ne se déposent pas seulement là où a
lieu l’usinage mais bien sur toute la machine. Dans le secteur de la
construction et de l’agriculture aussi, la technique de commande a fait
son entrée depuis un certain temps. Elle recourt également aux capteurs
pour profiter d’un retour d’information du mouvement d’axe exécuté. Dans
ce type d’applications très rudes, le capteur doit répondre aux exigences
les plus strictes, vu son utilisation permanente en plein air dans des
conditions climatiques très diverses et en présence de pollution et d’humidité.
Les machines de l’industrie alimentaire doivent quant à elles répondre à
des exigences très élevées en termes de propreté et d’hygiène de l’environnement
de production. Après chaque processus de production, l’installation doit
être nettoyée et désinfectée. Des détergents agressifs, utilisés parfois
sous pression, entrent régulièrement en contact avec le capteur.
Caractéristiques
Rotamag produit, suivant le mouvement de rotation, des blocs d’impulsions
incrémentales, décalées de 90°, compatibles à 100% avec d’autres capteurs
incrémentaux traditionnels. Une impulsion par rotation est mise à
disposition pour assurer un calibrage précis. Le système fournit une
résolution maximale de 1280 impulsions par rotation.
Le capteur dans une électronique coulée profite d’un indice de protection
IP67. En matière d’intégration mécanique, il existe des boîtiers standard
présentant soit un axe plein doté d’une bride de serrage ou servo de 58 mm
soit un axe creux doté d’une bride de 58 mm et affichant un diamètre
intérieur maximal de 22 mm.
Les futurs développements visent une plus grande résolution impulsionnelle
pour une même exécution compacte au moyen de nouvelles techniques d’interpolation.
Le développement de la variante absolue se poursuit également. >>
