Automation Multiturn-Sensoren: Rohre und Leitungen minimalinvasiv verlegen

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Althen GmbH Mess- und Sensortechnik

a.b.jödden gmbh

Magnetische Multiturn-Sensoren, die den GMR-Effekt nutzen, arbeiten kontaktlos und liefern absolute Positionswerte. Sie benötigen keine Referenzfahrt und brauchen zum Erfassen der Umdrehungen keine Stromversorgung oder Pufferbatterie. Daher sind die „True-Power-On“-Systeme eine Alternative für Mehrgang-Potentiometer oder optische Encoder.

In Systemen für die grabenlose Rohr- und Leitungsverlegung mittels Horizontalspülbohrverfahren (Horizontal Directional Drilling; HDD) sorgen magnetische Multiturn-Sensoren zum Beispiel für die präzise Positionierung von Gestängekran und Vorschubschlitten. Auch im mobilen Einsatz – etwa im Tiefbau – haben sie sich bewährt.

Multiturn-Sensoren im Einsatz für die Infrastruktur

Spülbohranlagen ermöglichen heute Längsverlegungen, Unterquerungen, Felsbohrungen und kabelgeführtes Bohren zur Ortung in schwierigem Terrain, ohne dabei Straßen oder Gelände aufzugraben. Die Baustellen sind deutlich kleiner und schneller abgeschlossen als beim offenen Leitungsbau. Grabenloses Bauen verursacht zudem rund 60 Prozent weniger Erd- und Fahrzeugbewegungen und dadurch nur geringe Emissionen von Lärm, CO2 und Feinstaub sowie weniger Verkehrsstaus. Infrastrukturelle Zukunftsprojekte wie der Glasfaserkabelausbau profitieren davon ebenso wie Gasnetze, Windparks, Wasser- und Abwasserleitungsbau, Erdgasverteilnetze, E-Mobility oder der Fernwärme-Netzausbau. 

Einer der Mitbegründer dieser grabenlosen Technologie ist Tracto. Ein Beispiel ist die neueste Spülbohrgeräte-Generation der Grundodrill JCS/ACS130, die durch maximale Automatisierung und ein intuitives Bedienkonzept mit praxisgerechten Funktionen wie ferngesteuertem Bohren zu den effizientesten und produktivsten HDD-Bohranlagen ihrer Leistungsklassen auf dem Markt gehört. Wie alle HDD-Systeme „Made in Sauerland“ erzielen sie hohe Rotations- und Spülleistungen bei geringem Verbrauch von Ressourcen und Betriebsmitteln. In Kombination mit ihrer langen Lebensdauer und dem geringen Verschleiß gelten diese Spülbohranlagen deshalb als besonders effizient und wirtschaftlich.

Positionierung von Gestängekran und Vorschubschlitten

Beim Horizontalspülbohrverfahren wird mit dem steuerbaren Bohrkopf des Spülbohrgeräts zuerst eine Pilotbohrung entlang der geplanten Bohrtrasse erstellt. Das Bohrloch wird durch einen Aufweitkopf beim Zurückziehen des Bohrgestänges zum Spülbohrer vergrößert. Eine Bohrspülung aus Wasser und dem Tonmineral Bentonit unterstützt den Abbau des Erdreiches, spült das sogenannte Bohrklein aus, stabilisiert den Bohrkanal und reduziert die Mantelreibung des Rohres, das anschließend in die Trasse eingezogen wird. So können die Spülbohranlagen für Längsverlegungen, Kreuzungen oder Unterquerungen von Gewässern und anderen Verkehrswegen sogar im Felsboden ausgeführt werden.

Damit das Bohrgestänge und später das Rohr automatisch nachgeführt und verlängert werden kann, entnimmt der Gestängegreifer die drei Meter langen Bohrstangen aus dem Magazin und setzt sie in den Vorschubschlitten ein. Der Greifer führt dabei sowohl eine Vertikal- als auch eine Horizontalbewegung aus, bei der präzise positioniert werden muss, um die Bohrstangen im Vorschub abzulegen. Bei den Vorgängermodellen des Grundodrill übernahm diese Aufgabe ein Zehn-Gang-Potentiometer. Die Konstrukteure suchten dafür jedoch eine kontaktlose und daher verschleißfreie Alternative. Da Tracto schon etliche Jahre mit Novotechnik zusammenarbeitet, ergab sich schnell, dass der Multiturn RSM-2800 aus dem Programm der Sensorikspezialisten sowohl für die Positionserfassung des Gestängekrans als auch beim Vorschubschlitten gleich aus mehreren Gründen die richtige Lösung ist.

Umdrehungserfassung ohne externe Stromversorgung

Die berührungslosen Sensoren, die den GMR-Effekt nutzen, können ohne externe Stromversorgung und Pufferbatterie bis zu 16 Umdrehungen erfassen und dauerhaft speichern. Die Auflösung des Sensors beträgt mit analoger Schnittstelle bis zu 16 Bit. Unter Verwendung digitaler Schnittstellen (SSI, SPI) werden bis zu 18 Bit Gesamtauflösung (Winkel und Umdrehung) erreicht. Gemessen werden kann bei Drehgeschwindigkeiten bis 800 Umdrehungen pro Minute. Dabei sind die Sensoren auch noch ausgesprochen genau. Über den gesamten Messbereich liegen die typischen Linearitätsabweichungen unter 0,05 Prozent (bei Messbereich zehn Umdrehungen).

Die beiden an Vertikal- und Horizontalachse des Gestängekrans eingesetzten Sensoren messen und speichern neun Umdrehungen und kommunizieren mit der Steuerung des Greifers über einen 4...20-Milliampere-Stromausgang. Hat der Greifer dann die Bohrstangen oder Rohre im Vorschubschlitten eingelegt, werden sie automatisch in die Trasse eingebracht und verlängert. Ein weiterer RSM-2800 überwacht dazu den Vorschub. In diesem Fall werden zehn Umdrehungen gemessen, um auf dem gesamten 3,5 Meter langen Verfahrweg die Position des Vorschubschlittens mit ausreichender Genauigkeit erfassen zu können.

Für den Baustelleneinsatz gerüstet: Multiturn-Sensoren

Für den Einsatz auf der Baustelle ist der Sensor gut gerüstet. Er erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP67. Stöße und Vibrationen beeinträchtigen die Funktion nicht. Dabei ist er ein echtes True-Power-On System: Der Geberwert bleibt bei Spannungsabschaltung erhalten und Umdrehungen werden auch stromlos erfasst. Nach jedem Abschalten ist der Gestängekran also ohne Referenzfahrt sofort wieder betriebsbereit. Das Gehäuse besteht aus hochwertigem, temperaturbeständigem Kunststoff. Befestigungslaschen mit Langlöchern ermöglichen einen einfachen Anbau und eine bequeme mechanische Justierung. Die spielfreie Steckkupplung vereinfacht die Montage. Mit vorkonfektioniertem M12-Anschlussstecker an kurzem Kabel ist der elektrische Anschluss mit einem Handgriff erledigt. Das geschirmte Anschlusskabel ist für hohe Robustheit direkt ins Gehäuse eingegossen. Mit einem Durchmesser von lediglich 28 Millimetern lässt sich der Sensor zudem gut integrieren. Auch für die ungünstige Einbausituation an der Vertikal­achse des Krans fand sich dank der guten Zusammenarbeit schnell eine praxisgerechte Lösung. Die Befestigung wurde modifiziert, um äußere Einflüsse zu kompensieren.

Die kompakte Multiturn-Lösung eignet sich aber nicht nur für mobile Arbeitsmaschinen, sondern kann vielerorts aufwendige Getriebelösungen überflüssig machen und somit helfen, Gesamtkosten einzusparen. Deshalb finden sich Anwendungsbereiche etwa auch in Druckmaschinen, Antriebs- und Lenksystemen, als Seillängengeber, bei Tür- und Torantrieben, in Papiermaschinen, Hebebühnen oder ganz allgemein als Ersatz von Mehrgangpotentiometern oder Encodern.

Der Autor Dipl.-Ing. Stefan Sester ist Leiter technischer  Vertrieb bei Novotechnik. Autorin Ellen-Christine Reiff, M.A., arbeitet im Redaktionsbüro Stutensee.