Schlüsselwörter: Elektronische Bandwaage, Geschwindigkeitssensor – Übersicht. Aus dem Wägeprinzip geht hervor, dass der momentane Materialdurchsatz einer elektronischen Bandwaage von zwei Parametern abhängt: Er entspricht dem Produkt aus der von der Wägezelle gemessenen Materiallast q (kg/m) und der vom Geschwindigkeitssensor gemessenen Bandgeschwindigkeit v (m/s). Das heißt: w(t) = qv. Daher sind Messgenauigkeit und Stabilität des Geschwindigkeitssensors ebenso wichtig wie die der Wägezelle. Die Genauigkeit von Wägezellen liegt heutzutage im Allgemeinen im Bereich von wenigen Zehntausendstel, während die Genauigkeit von Geschwindigkeitssensoren meist im Tausenderbereich liegt. Die Verbesserung der Genauigkeit des Geschwindigkeitssensors ist daher eine effektive Methode zur Steigerung der Genauigkeit des elektronischen Bandwaagensystems. Nachdem das Impulssignal des Geschwindigkeitssensors in das Anzeigegerät gelangt ist, wird es üblicherweise auf drei Arten mit dem Signal der Wägezelle multipliziert. Die erste Methode besteht darin, das Geschwindigkeitsimpulssignal zu formen und zu verstärken, es in ein analoges 0-10-V-Gleichstromsignal umzuwandeln und dieses als Brückenspannung für die Wägezelle zu verwenden, wodurch eine Multiplikation innerhalb der Wägezelle erfolgt. Die zweite Methode beinhaltet die Formung und Verstärkung des Geschwindigkeitsimpulssignals, die Umwandlung in ein analoges (oder digitales) Signal und die anschließende Multiplikation mit dem verstärkten analogen (oder digitalen) Signal der Wägezelle in einem separaten Multiplizierer. Die dritte Methode verwendet das geformte Geschwindigkeitsimpulssignal direkt als Triggersignal für den Akkumulator im Anzeigegerät. Jedes empfangene Geschwindigkeitsimpulssignal löst eine Abtastung des Eingangssignals der Wägezelle aus; je höher die Bandgeschwindigkeit, desto mehr Abtastungen werden durchgeführt, und die akkumulierten Werte werden digital multipliziert. Bei der Verwendung elektronischer Bandwaagen treten häufig Probleme mit Geschwindigkeitssensoren auf, doch aufgrund mangelnder Informationen zu diesem Thema sind Anwender oft ratlos. Basierend auf meiner eigenen Erfahrung habe ich einige Lösungsansätze für diese Probleme zusammengestellt und hoffe, dass sie den Lesern hilfreich sein werden. Die üblicherweise in elektronischen Bandwaagen verwendeten Geschwindigkeitssensoren lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: magnetoresistive Impulssensoren und fotoelektrische Impulssensoren. Analoge Tachogeneratoren werden nicht mehr eingesetzt und wurden durch digitale Geschwindigkeitssensoren mit Impulssignalausgabe ersetzt. 1. Magnetoresistive Impulssensoren: Bei einem magnetoresistiven Impulssensor sind Spule und Magnet stationär, während der bewegliche, mit dem Messobjekt verbundene Teil aus magnetisch leitfähigem Material besteht. Durch die Rotation des Teils ändert sich der magnetische Widerstand des Magnetkreises, wodurch sich der magnetische Fluss durch die Spule ändert und eine induzierte elektromotorische Kraft induziert wird. Magnetoresistive Impulssensoren lassen sich in zwei Ausführungen unterscheiden: mit offenem und mit geschlossenem Magnetkreis. Die Struktur des offenen Magnetkreises ist in Abbildung 1 dargestellt. Zwei in Reihe geschaltete Induktionsspulen sind auf einem P-förmigen Permanentmagneten montiert. Die Walze rotiert direkt gegen das Band und treibt das gleichmäßig beabstandete Zahnrad an. Wenn der hervorstehende Teil des gleichmäßig beabstandeten Zahnrads dem Magnetpol gegenüberliegt, ist der magnetische Fluss in der Schleife maximal; liegt der konkave Teil gegenüber, ist er minimal, und in der Induktionsspule wird eine Spannung induziert, die sich mit dem magnetischen Fluss ändert. Die Frequenz f dieser Spannungsänderung ist proportional zur Riemengeschwindigkeit v. Dieser Drehzahlsensor zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, aber eine geringe Ausgangssignalamplitude aus. Der geschlossene Magnetkreis ist in Abbildung 2 dargestellt. Beim Laufen des Riemens versetzt die Reibung die Walze in Rotation, welche wiederum den Rotormagneten antreibt. Rotor- und Statormagnet sind einander gegenüberliegend angeordnet und weisen an ihren Umfangsflächen gleichmäßig gefräste Zähne auf. Liegen die konvexen Zähne der beiden Magneten einander gegenüber, ist der magnetische Fluss maximal. Wenn die konvexen und konkaven Zähne der beiden Magnetbecher einander gegenüberliegen, ist der magnetische Fluss minimal. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert, die mit dem magnetischen Fluss variiert. Der Drehzahlsensor mit geschlossenem Magnetkreis hat zwar einen komplexeren Aufbau, bietet aber eine bessere Abdichtung und eine größere Ausgangssignalamplitude. Bei der Verwendung des magnetoresistiven Impulsdrehzahlsensors für Hochgeschwindigkeitsmessungen ist die induzierte Spannung in der Spule aufgrund der magnetischen Hysterese des Magnetkreises zu gering, um sie präzise zu messen. 2. Fotoelektrischer Impulsdrehzahlsensor: Der fotoelektrische Impulsdrehzahlsensor (siehe Abbildung 3) besteht aus einer offenen, auf der Eingangswelle montierten Scheibe, einer Lichtquelle, einem Fotosensor usw. Dreht sich die Scheibe in eine bestimmte Position, fällt das von der Lichtquelle emittierte Licht durch die Löcher in der perforierten Scheibe auf den Fotosensor. Dieser wird dadurch lichtempfindlich und erzeugt ein elektrisches Signal. Je nach benötigter Impulsanzahl kann die Scheibe ein oder mehrere Löcher aufweisen. Drei Anwendungsbeispiele für Geschwindigkeitssensoren: 1. Deaktivierung von Geschwindigkeitssensoren: Bei Förderbändern ohne Geschwindigkeitsregelung liegt die Bandgeschwindigkeitsschwankung je nach Netzfrequenz, Spannung und Last bei etwa ±(0,3–0,5) %, wobei die Netzfrequenz den größten Einfluss hat. Bei Nutzern, die an ein großes Stromnetz angeschlossen sind, beträgt die Bandgeschwindigkeitsschwankung aufgrund der stabilen Netzfrequenz üblicherweise weniger als ±0,2 %. Wir haben die Bandgeschwindigkeit mehrmals morgens, mittags und abends unter verschiedenen Lasten gemessen, und die Schwankung lag konstant unter ±0,2 %. Laut der Moramsey Corporation (USA) sollte ein Geschwindigkeitssensor eingesetzt werden, wenn die Bandgeschwindigkeitsschwankung ±0,2 % überschreitet oder die geforderte Wiegegenauigkeit über ±0,5 % liegt. Liegt die Bandgeschwindigkeitsschwankung hingegen unter ±0,2 % oder ist die geforderte Wiegegenauigkeit unter ±0,5 %, kann auf einen Geschwindigkeitssensor verzichtet werden. Wie wird das Geschwindigkeitssensorsignal in einem elektronischen Bandwaagensystem ersetzt? Fast alle elektronischen Bandwaagen verfügen über eine Funktion in ihren Anzeigegeräten: die Auswahl zwischen internem und externem Impuls. Bei Auswahl des externen Impulses liefert der am Förderband installierte Geschwindigkeitssensor das Impulssignal an das Anzeigegerät; bei Auswahl des internen Impulses wird das Impulssignal von der Signalquelle im Anzeigegerät selbst erzeugt. Bei einem Besuch in einer Mineralaufbereitungsanlage sahen wir eine defekte, außer Betrieb genommene Bandwaage. Auf Nachfrage erfuhren wir, dass das Problem auf einen defekten Geschwindigkeitssensor zurückzuführen war, der aufgrund von Schwierigkeiten bei der Ersatzteilbeschaffung vorübergehend außer Betrieb genommen worden war. Wir wiesen den Benutzer an, das Anzeigegerät einzuschalten und das Menü aufzurufen. Unter „Tacho. Aktiv?“ (Geschwindigkeitssensor aktiv?) konnte er „Ja“ oder „Nein“ auswählen („Ja“ bedeutet, dass der am Förderband installierte Geschwindigkeitssensor ein Impulssignal an das Anzeigegerät liefert, „Nein“ bedeutet, dass das Impulssignal von der Signalquelle im Anzeigegerät selbst erzeugt wird). Nachdem die Auswahl von „Ja“ auf „Nein“ geändert und im nächsten Menüpunkt „Nenngeschwindigkeit“ der tatsächliche Geschwindigkeitswert eingestellt wurde, begann sich der kleine Punkt in der oberen linken Ecke der Bandwaagenanzeige wieder zu drehen und signalisierte ein Geschwindigkeitssignal. Die Bandwaage nahm daraufhin ihren Betrieb wieder auf. Ein oder zwei Tage später stieß das Wartungspersonal vor Ort auf ein neues Problem: Wenn das Förderband stillstand, führten Materialreste auf dem Band oder ein ungleichmäßiges Eigengewicht dazu, dass die Anzeigeanzeige langsam weiter anstieg. Dadurch summierte sich der Zähler weiter, obwohl kein Material transportiert wurde. Wir entwickelten zwei weitere Lösungsansätze: Erstens, den Schwellenwert für das kleine Signal entsprechend zu erhöhen (der Integrator stoppt die Zählung, wenn die momentane Materialflussrate unter diesen Wert fällt); zweitens, die elektrischen Betriebskontakte des Förderbandes mit dem Stromkreis der Anzeigeanzeige zu verbinden, sodass die Stromzufuhr zur Anzeigeanzeige unterbrochen wird, wenn das Förderband stillsteht. Dies ist natürlich nur eine Übergangslösung; langfristig sollte eine zuverlässigere Methode angewendet werden. 2. Austausch der Drehzahlsensorkomponenten: Ein Werk verwendete ursprünglich einen Drehzahlsensor, der aus einem OMRON-Drehgeber mit einer Auflösung von 1024 P/r (P = Impuls) zusammengesetzt war. Aufgrund einer Beschädigung des Drehgebers musste dieser ausgetauscht werden. Da die Kompatibilität mit der ursprünglichen Drehzahlmessrolle gewährleistet sein musste, sollte das ursprüngliche Drehgebermodell verwendet werden. Dieses Modell war jedoch längst veraltet, und das verfügbare Produkt mit gleicher Form und Größe bot nicht die Auflösung von 1024 P/r, sondern nur 1000 P/r. Der Kunde zögerte daher, es zu erwerben. Nach Klärung der Situation empfahlen wir dem Kunden die Verwendung eines Drehgebers mit 1000 P/r und wiesen ihn darauf hin, dass er während der Bereichskalibrierung entsprechende Anpassungen vornehmen könne. Obwohl sich die Auflösung des Drehgebers dadurch um 2,4 % verringerte (was einer Reduzierung des gemessenen Drehzahlsignals um 2,4 % entspräche), kann dies durch Anpassung des Bereichskoeffizienten (z. B. durch Erhöhung des Bereichskoeffizienten um 2,4 %) kompensiert werden. 3. Austausch importierter durch inländische Geschwindigkeitssensoren: Importierte oder inländische Geschwindigkeitssensoren für elektronische Bandwaagen geben typischerweise Impulssignale aus, sodass ein Austausch gegen inländische Sensoren möglich ist. In einem Werk mit einer elektronischen Bandwaage von Siemens MSI wurde der zugehörige, am Wellenende montierte Geschwindigkeitssensor MD-256 durch Wassereintritt beschädigt und musste für drei Monate aus dem Ausland repariert werden. Wir ersetzten ihn durch einen inländischen, am Bandrücklauf montierten fotoelektrischen Geschwindigkeitssensor CS-40. Die angezeigte Geschwindigkeit betrug 0,634 m/s, genau die Hälfte der ursprünglichen 1,268 m/s. Anschließend änderten wir im Menü den Standardwert von „100“ auf „200“ in der „Geschwindigkeitskonstante P015“ (entspricht einer Multiplikation), woraufhin der angezeigte Wert dem Originalwert entsprach. Der ursprüngliche, am Wellenende montierte Geschwindigkeitssensor ließ sich nicht fixieren und schwankte daher während des Betriebs auf und ab, was zu einer Schwankung von ±5 % im gemessenen Geschwindigkeitswert führte. Des Weiteren führte ein Loch im Boden über dem Installationsort dazu, dass Reinigungswasser häufig in den Anschlusskasten des Geschwindigkeitssensors floss und diesen beschädigte. Nach dem Einbau eines inländischen, am Rücklaufband montierten Geschwindigkeitssensors arbeitet der Sensor stabil, wobei der tatsächliche Messwert nur noch um ±(1–2) % schwankt. Dadurch wird die Genauigkeit der elektronischen Bandwaage verbessert. Der Preis des inländischen Geschwindigkeitssensors beträgt nur etwa ein Drittel des Preises eines importierten Sensors, sodass in den meisten Fällen ein Austausch gegen einen inländischen möglich ist. 4. Austausch eines Zwei-Draht-Geschwindigkeitssensors gegen einen Drei-Draht-Geschwindigkeitssensor: Der in der zuvor erwähnten Erzaufbereitungsanlage an der Bandwaage verwendete Geschwindigkeitssensor war beschädigt. Es handelte sich um einen Zwei-Draht-Sensor, d. h. er hatte nur zwei Anschlussdrähte zum Anzeigegerät. Da dieser Sensortyp inländisch sehr teuer ist, entschieden wir uns für den Austausch gegen einen inländischen Drei-Draht-Geschwindigkeitssensor. Wir haben die positiven Versorgungs- und Drehzahlsignalleitungen des Dreidraht-Drehzahlsensors wie erforderlich an die entsprechenden Eingangsanschlüsse des Anzeigegeräts angeschlossen. Anschließend haben wir die dritte Leitung (Masse) an den Masseanschluss des Wägesensors angeschlossen (siehe Abbildung 4). Nach dem Anschließen dieser Leitungen begann sich der kleine Punkt in der oberen linken Ecke des Bandwaagen-Anzeigegeräts wieder zu drehen, was anzeigte, dass das Anzeigegerät nun Signale vom Dreidraht-Drehzahlsensor empfangen konnte. Wir haben daraufhin den angezeigten Drehzahlwert im Menü unter „Zeichenwerte“ korrigiert, und die elektronische Bandwaage nahm den normalen Betrieb wieder auf. 5. Verwendung des Impulsausgangs eines Frequenzumrichters anstelle eines Drehzahlsensors: In manchen Anwendungen mit Wiegeförderern kann, wenn der Bandantriebsmotor des Förderers von einem Frequenzumrichter (FMP) gesteuert wird, der typischerweise einen Impulsausgang (FMP) besitzt, der den Drehzahlsensor in Verbindung mit dem Anzeigegerät ersetzen kann, sofern kein Bandschlupf auftritt und die Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht sehr hoch sind. Es ist zu beachten, dass das FMP-Ausgangssignal des Frequenzumrichters nicht das tatsächliche Messsignal der Bandgeschwindigkeit darstellt, sondern das Steuersignal für den Bandantriebsmotor der Zuführung. Bei schlupffreiem Band sind beide Werte identisch. Zusammenfassend lässt sich sagen: Sobald wir das Funktionsprinzip, die Signalarten und die Beziehung zu den Anzeigegeräten der Geschwindigkeitssensoren vollständig verstanden haben, können wir diese flexibel an die jeweiligen Produktionsbedingungen anpassen und so unterschiedliche Anforderungen erfüllen.