Winkelsensor trotz harten Bedingungen im Wellenkraftwerk:

Keine Angst vor rauer See

Im November 2011 ging das erste von Anfang an kommerziell genutzte Wellenkraftwerk der Welt in der nordspanischen Gemeinde Mutriku in Betrieb. Bild: Voith GmbH

Zu den Funktionsprinzipien, die häufig zur kontaktlosen Winkelerfassung eingesetzt werden, gehören heute magnetische Verfahren. Sie liefern absolute Messwerte, arbeiten auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig und eignen sich aufgrund der zu anderen Messverfahren vergleichsweise niedrigen Kosten für zahllose Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau, für mobile Einsatzfälle und selbst in Wasserkraftwerken sind sie mittlerweile anzutreffen. Hier trotzen sie extremen Umgebungsbedingungen wie die im folgenden beschriebene Anwendung in einem Wellenkraftwerk an der nordspanischen Küste zeigt.

Prinzipielle Funktionsweise: Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht am Auslass ein Luftstrom, der die von der Strömungsrichtung unabhängigen Wells-Turbinen treibt. Bild: Voith GmbH

Prinzipielle Funktionsweise: Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht am Auslass ein Luftstrom, der die von der Strömungsrichtung unabhängigen Wells-Turbinen treibt.
Bild: Voith GmbH

Der Nutzen von Wellenkraftwerken war lange Zeit vor allem aus Kostengründen eher eine Reißbrettspielerei. In einer Zeit, in der Energie immer teurer wird und erneuerbare Energien stärker in den Fokus rücken, beginnt sich das jedoch zu ändern. Dazu trägt auch bei, dass sich Wellenkraftwerke oft in ohnehin benötigte Bauten integrieren lassen, z.B. in Hafen- oder Küstenschutzanlagen. Im November 2011 ging beispielsweise das erste von Anfang an kommerziell genutzte Wellenkraftwerk der Welt in der nordspanischen Gemeinde Mutriku in Betrieb und gilt nun als Vorbild für weitere derartige Projekte zur nachhaltigen Energiegewinnung. Gebaut vom spanischen Energieversorger Ente Vasco de la Energía (EVE) und mit Technik aus Deutschland ausgestattet sorgt das Wellenkraftwerk mit 16 Wells-Turbinen für eine Gesamtleistung von 300 Kilowatt. Damit können etwa 250 Haushalte versorgt werden.

Schwingende Wassersäule erzeugt Energie

Das Wellenkraftwerk in Mutriku arbeitet nach dem OWC-Prinzip („oscillating water column“). Hierbei drückt jede Welle Wasser in kaminartige Betonröhren; bei jedem Wellental wird das Wasser wieder herausgezogen. Am oberen Ende der „Kamine“ sind die Turbinen angebracht. Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht am Auslass ein Luftstrom, der die Turbinen treibt. Dabei arbeiten die Turbinen, die nach ihrem Erfinder, dem britischen Ingenieur Allen Arthur Wells benannt sind, unabhängig von der Durchströmungsrichtung. Die Energiegewinnung aus Wellenkraft ist im Gegensatz zu Gezeiten-Kraftwerken nicht an Ebbe und Flut gebunden, steht rund um die Uhr zur Verfügung und verbraucht keine Ressourcen.

Sensor und Positionsgeber sind als getrennte Komponenten konzipiert. Das erleichtert die Integration in die Anwendung. Bild: Novotechnik

Sensor und Positionsgeber sind als getrennte Komponenten konzipiert. Das erleichtert die Integration in die Anwendung.
Bild: Novotechnik

Vor extremen Seegang müssen die Turbinen allerdings geschützt werden. Dazu ist am Auslass, also zwischen Kamin und Turbine, ein elektrisch angetriebener Schmetterlings-Dämpfer angebracht, der ähnlich wie eine Rauchklappe funktioniert. Dadurch kann der Luftstrom, der die Turbine erreicht, bei Bedarf geregelt werden. Gegebenenfalls lässt sich die Turbine auch komplett isolieren. Damit diese Regelung funktioniert, muss die Klappenposition überwacht und an die übergeordnete Steuerung gemeldet werden. Die Aufgabe erfordert einen Sensor, der mit den harten Einsatzbedingungen zurechtkommt: Salzhaltige, feuchte Luft und die zyklischen Druckschwankungen dürfen die zuverlässige Funktion nicht beeinträchtigen, da davon die sichere Funktion der Turbine abhängt. Die passende Lösung fand sich im Standardprogramm des Sensorikspezialisten Novotechnik: Im Wellenkraftwerk erfassen magnetische Winkelsensoren der Baureihe RFC 4800 die aktuelle Position der vor den Turbinen angeordneten Dämpfer. Der Sensor erfüllt serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP69 und lässt sich einfach montieren.

Einfache Montage, zuverlässige Funktion

Die einfache Integration in die Anwendung hängt unmittelbar mit der Funktionsweise zusammen: Für die Winkelerfassung wird an der drehenden Achse ein positionsgebender Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnetfeldes und damit die Signale des nur etwa 15 mm flachen Sensors. Diese Signaländerung wird dann noch innerhalb des Sensor-ICs in ein drehwinkelproportionales Ausgangssignal umgerechnet und der übergeordneten Steuerung zur Verfügung gestellt. Weil Sensorelement und positionsgebender Magnet konstruktiv voneinander getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann in bis zu 1,5 mm Entfernung zum Positionsgeber platziert werden. Sogar noch größere Abstände bis etwa 4 mm sind realisierbar; hierfür steht ein stärkerer Magnet zur Verfügung. Eine Markierung zeigt die richtige Ausrichtung zum Sensor. Da weder Welle noch Lagerung notwendig sind und der Messabstand variabel ist, sind applikationsbedingte Einbautoleranzen unproblematisch. Bei der Anwendung im Wellenkraftwerk ist der positionsgebende Magnet direkt an der angetriebenen Welle des Dämpfers angebracht. Das Sensorelement befindet sich am Turbinenrahmen.

Für die kontaktlose Winkelerfassung ist an der drehenden Achse ein Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnetfeldes und damit die Signalspannung des Sensorelements Bild: Novotechnik

Für die kontaktlose Winkelerfassung ist an der drehenden Achse ein Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des Magnetfeldes und damit die Signalspannung des Sensorelements
Bild: Novotechnik

Für die Wahl des magnetischen Winkelsensors gab es aber noch weitere Argumente: Er erfasst den Messwinkel kontaktlos, also ohne mechanischen Verschleiß und liefert absolute Messwerte über volle 360°, die er der Steuerung als Analogsignal mit einer Auflösung von 12 Bit (0,009 Grad) zur Verfügung stellt. Die (unabhängige) Linearität liegt bei +/- 0,3 %, die Wiederholgenauigkeit bei 0,1°.

Robust und unempfindlich gegenüber Verschmutzung

Aber auch darüber hinaus hat der magnetische Winkelsensor einiges zu bieten: Sein Gehäuse besteht aus hochwertigem und temperaturbeständigem Kunststoff. Befestigungslaschen mit Langlöchern ermöglichen einen einfachen Anbau und eine bequeme mechanische Justierung. Der Sensor ist vollkommen vergossen und damit verschmutzungsunempfindlich; dadurch beeinträchtigt ihn weder die salzhaltige Luft noch die zyklische Druckbelastung. Für die elektrische Verbindung sind Kabel oder Einzellitzen vorgesehen, die in das Gehäuse eingegossen sind. Die zulässigen Umgebungstemperaturen liegen zwischen – 40 °C und + 125 °C.

Ihren Härtetest haben die Sensoren bereits in einem anderen Wellenkraftwerk auf der Insel Islay vor der Schottischen Westküste bestanden. Die Anlage Limpet wurde im Jahr 2000 in Auftrag gegeben und wird heute noch als Test- und Forschungseinrichtung betrieben. Insgesamt hat sie mehr als 70.000 Betriebsstunden lang Strom ans Netz geliefert, wozu auch die eingesetzten Sensoren mit ihrer zuverlässigen Funktion ihren Beitrag geleistet haben.

Ihre Robustheit können sie natürlich ebenso in vielen anderen Anwendungen ausspielen. Neben industriellen Applikationen erschließt sich ihnen auch im mobilen Bereich ein breites Einsatzfeld. Schließlich verkrafteten sie Schwingungen und Vibrationen bis 20 g (gemäß IEC 600658-2-6) sowie Stöße bis 50 g (6 ms, gemäß IEC 68068-2-27 ) und erfüllen sämtliche in mobilen Anwendungen geforderten EMV- und EMC-Spezifikationen. Dank unterschiedlicher Mechaniken und Steckerabgängen lassen sie sich einfach in unterschiedlichste Anwendungen integrieren. Auch bei den elektrischen Schnittstellen herrscht Vielfalt: von verschiedenen ein- und mehrkanaligen Varianten mit analogen Schnittstellen über SPI, SSI und Inkremental bis hin zu CANopen sind alle gängigen Schnittstellen verfügbar.

Über Novotechnik
Seit über 65 Jahren ist Novotechnik mit Stammsitz im schwäbischen Ostfildern wegweisend in der Weiterentwicklung der Messtechnik. Inzwischen arbeiten allein in Deutschland über 200 Mitarbeiter an Spitzenleistungen. Das Ergebnis sind leistungsstarke Weg- und Winkelsensoren, die weltweit aus Fertigung, Steuer- und Messtechnik oder aus dem Automobil nicht mehr wegzudenken sind. Die breitgefächerte Produktpalette umfasst Weg- und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien, spezielle Lösungen für den Automotive-Bereich sowie Messwertumformer und Messgeräte. Das deckt praktisch alle denkbaren Aufgabenstellungen ab und für spezielle Anwendungsbedürfnisse werden Lösungen maßgeschneidert.

Titelbild: Voith GmbH

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Dipl.-Ing. Stefan Sester

Produktbereichsleiter Rotative Sensoren bei Novotechnik

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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