Magnetfeldsensor erfasst Drehzahl und Drehrichtung Doppelagent

Die Firma Adam Opel begann als Hersteller von Nähmaschinen und Fahrrädern, Nintendo stellte nach seiner Unternehmensgründung 1889 zunächst Spielkarten her und baut heute Spielkonsolen. Es ist nicht unüblich, dass Unternehmen im Laufe ihres Bestehens die Komplexität der eigenen Produkte steigern.

Eine ebenfalls wandlungsreiche Unternehmensgeschichte hat das Armaturenwerk Hötensleben (AWH) mit Hauptsitz in Sachsen-Anhalt. An ihren Meilensteinen von 1859 bis heute lässt sich die gesamte jüngere deutsche Geschichte ablesen. Ursprünglich begann die Firma als Metallgießerei, seit 1992 stellt sie Edelstahlkomponenten wie Ventile, Form- und Verbindungsstücke her. 2003 kam zunächst die Reinigungstechnik und später die Molchtechnik hinzu.

Seit kurzer Zeit bietet AWH seinen Kunden mit der Reihe VPureMix auch Magnetrührwerke an. Die auf Prozesssicherheit und Sterilität optimierten Magnetrührer finden insbesondere in der Pharma-, Biotech- und Lebensmittelindustrie Einsatz. Die Anwender homogenisieren oder suspendieren damit schonend und effizient flüssige Medien, nutzen sie zum Wärmeaustausch oder Konzentrationsausgleich.

Speed-Sensor

„Um die Rührerleistung zu bestimmen, benötigen wir unter anderem eine Information über die Drehzahl des Mischkopfes“, erklärt AWH-Produktmanagerin Anja Hauffe. In der Branche kennt man dieses Feature als Speed-Sensor. Insbesondere wenn innerhalb eines Produktions-Batches verschiedene Drehzahlen gefahren werden, benötigt man eine Drehzahlerfassung am Rührwerk. Für die meisten Kunden ist dieses Feature daher zwingend erforderlich.

Der Mischkopf wird berührungslos über Magnete angetrieben – durch die Behälterwand hindurch. Da lag es nahe, die Drehzahl über das Magnetfeld zu ermitteln. „Wir brauchten einen Sensor, der das umsetzen kann, denn die Alternativen wären sehr umständlich gewesen. Wir wollten einen Sensor, den wir im Rührwerk integrieren und für möglichst viele Varianten der Rührwerksserie einsetzen können “, präzisiert Hauffe die Anforderung.

Magnetische Kupplung

Permanentmagneten in der Antriebseinheit bilden mit Magneten im Mischkopf eine magnetische Kupplung. Diese ist derart belastbar, dass darüber der Mischkopf durch die Behälterplatte hindurch mit bis zu 490 Umdrehungen pro Minute angetrieben werden kann. Zur Montage des Rührwerks muss die Behälterplatte vorab im Boden eingeschweißt werden.

Dank der magnetischen Kupplung von Antrieb und Mischkopf bleibt die Integrität des Behälters trotz Mischvorgängen durchgehend gewährleistet. Sterilitätsprobleme und mögliche Kontaminationen, wie sie bei konventionellen Rührern mit Wellendurchführung auftreten können, sind damit ausgeschlossen. In Kontakt zum Medium gelangen nur Mischkopf und die keramische Lagerung. Sie sind so konstruiert und beschaffen, dass sie leicht rückstandslos gereinigt werden können.

Auf der Suche nach Sensoren, die das Magnetfeld durch die Behälterwand erfassen können, fiel eine Lösung von der Stange schnell aus. „Wir haben etliche Anbieter angefragt, aber am Markt gab es nichts“, berichtet Hauffe weiter. Es musste also eine individuelle Lösung entwickelt werden. AWH wandte sich dazu an den Sensor- und Automatisierungsspezialisten Turck, mit dem das Unternehmen bereits gute Erfahrungen verband.

Drehzahl und Drehrichtung

Turck entwickelte für die Applikation einen Sensor mit abgesetzter Auswerteeinheit. Der eigentliche Sensorkopf kann daher sehr kompakt gefertigt werden, um ihn am oberen Rand der Mischkopfaufnahme zu integrieren.

Im Sensorkopf befinden sich zwei aktive Flächen, sogenannte Hall-Sonden, die den Verlauf des Magnetfeldes durch einen internen zeitlichen Signalversatz erfassen. So kann nicht nur die Drehzahl an sich erfasst werden, sondern auch die Drehrichtung. Der Sensor wird auf eine Soll-Drehrichtung parametriert. Erkennt er später eine invertierte Drehrichtung, liegt eine Fehlfunktion vor. Die LED an der Auswerteeinheit leuchtet dann rot und die Steuerung gibt – je nach Einstellung des Anwenders – ebenfalls eine Warnmeldung aus.

Mehr Prozesssicherheit

Zusatzinformationen wie die Erfassung der Drehzahl und Drehrichtung benötigen nicht alle Kunden. In speziellen Branchen und explosionsgefährdeten Anlagenbereichen steigert die Detektion dieser beiden Größen die Sicherheit des Produktionsprozesses.

Vor allem Pharma- und Biotech-Industrie sind in höchstem Maß dazu angehalten, jeden Prozessschritt fehlerfrei aufzusetzen, zu sichern und zu dokumentieren. Eine falsche Drehzahl kann schnell zu einer verminderten Produktausbeute und hohen finanziellen Verlusten führen. Eine nicht detektierte falsche Drehrichtung des Mischkopfs gefährdet das Magnetrührwerk selbst und könnte in explosionsgefährdeten Bereichen durch elektrostatische Aufladung infolge von Reibung sogar zu Explosionen führen.

Falscheinbau ausgeschlossen

Bei der Konstruktion der Sensoreinheit kommen Turck die Erfahrung mit robusten IP67-Produkten und das Know-how zum Verguss von Elektronik zugute. Es wurde eigens ein Spritzgusswerkzeug erstellt, in dem das Sensorkopfgehäuse aus einem speziellen Kunststoff gefertigt wird. Dieses Kunststoffteil wird später mit der Elektronik komplett vergossen. Die Magnetfeld­sensoren müssen dauerhaft und präzise in einem spezifischen Winkel zu den Magnetfeldern liegen.

Das wird zum einen durch den Verguss gewährleistet, zum andern aber auch durch die spezielle Bauform der Sensoreinheit, die nur korrekt in die Nut der Mischkopfaufnahme eingesetzt werden kann. Diese Konstruktion verhindert ein Verrutschen des Sensors. Bei anderen Herstellern ist die Lage der Sensoren nicht fixiert und kann sich bei Vibrationen verschieben, was dann zu falschen Signalen und Fehlfunktionen führt.

Optische Anzeigen

Die abgesetzte Auswerteinheit aus robustem Edelstahl ist gegen aggressive Reinigungsmedien geschützt. Sie verfügt über Diagnose-LED, die gut sichtbar den Zustand der Sensorik anzeigen. Stimmt beispielsweise die Drehrichtung nicht, sieht der Bediener die LED rot leuchten. Sensorkopf, Verbindungsleitung und Auswerteeinheit können bei Umgebungstemperaturen von -20 bis +70° Celsius dauerhaft betrieben werden. Auch einer Sterilisation (150 °Celsius) bis zu einer Stunde halten Sensor und Leitung stand. Der Einsatz im explosionsgefährdeten Bereich mit der ATEX-Zone 2 ist möglich.

Universell einsetzbar

AWH stellt VPureMix-Magnetrührwerke in neun Größen her, die mit unterschiedlich vielen Magneten am Antrieb und Mischkopf bestückt sind. Bestellt der Kunde einen Mixer, parametriert AWH den Sensor per IO-Link.

„Dass wir alle Größen mit nur einem Sensor abdecken können, ist wirklich praktisch. Auch die Software zur Einstellung der Sensoren ist ganz easy. Über einen Dropdown wähle ich die vorliegende Rührwerksgröße aus. Alle weiteren Parameter werden über hinterlegte Datensätze automatisch angewendet. Mit zwei bis drei Klicks ist das erledigt“, so Hauffe. „Auch die Montage des Sensors hat mich überzeugt. Die abgesetzte Sensoreinheit kann nicht beschädigt werden und die Auswerteeinheit ist im Unterschied zu anderen Herstellen nicht aus Kunststoff, sondern aus Edelstahl.“

Kunden überzeugt

„Kunden, die zum ersten Mal ein VPureMix-Magnetrührwerk bestellten, waren von der Qualität und Funktion überzeugt. Viele davon sind Anlagenbauer und bevorzugen unsere Magnetrührwerke seitdem – sie empfehlen sogar ihren Kunden aus der Pharma-, Biotech-, und Lebensmittelindustrie unsere Rührwerke“, sagt Anja Hauffe.