27.02.2011 | Wegmessung in Hydraulikzylinder ist ein schwieriges Thema, da eine vernünftige Lösung oft nicht einfach zu erreichen ist. Bei Autokränen zum Beispiel ist zur Einhaltung der sicherheitsrelevanten Vorschriften ein Lastmomentbegrenzer notwendig. Konnte bisher der Kran nur in Betrieb genommen werden, wenn die Stützen komplett ausgefahren wurden, so kann heute eine Wegmessung an den Hydraulikzylindern eine dynamische Lastmomentbegrenzung ermöglichen. Diese Messung kann bisher nur bedingt dauerhaft gelöst werden. Einen völlig neuen Ansatz für die Wegmessung von Hydraulikzylinder bietet Micro-Epsilon Messtechnik an.
Galt es bisher, die
Hubbewegung von Hydraulikzylinder zu erfassen, war die Auswahl auf drei
unterschiedliche Verfahren beschränkt. Wurde die Wegmessung bereits bei der
Konstruktion bedacht, konnte ein magnetostriktiver Sensor in den Zylinder
integriert werden. Für einen nachträglichen Anbau außen am Zylinder standen
Seilzugsensoren oder magnetische oder optische Massstäbe bzw. Massbänder zur Auswahl.
Bisherige Methodik
Magnetostriktive
Sensoren sind so aufgebaut, dass das Messelement in einem rohrförmigen
Sensorgehäuse sitzt. Dieses ist stets etwas länger als der jeweilige
Messbereich. Am rückwärtigen Ende des Sensors sitzt die Auswerteelektronik am
oder im Zylinderboden. Als Positionsgeber dient bei magnetostriktiven Sensoren
ein Magnet im Kolben.
Diese Sensoren können
in den Zylinders integriert werden, da sie druckdicht konstruiert sind. Eine
Anpassung and die Applikation ist z. B. durch die Veränderung der Stablänge
relativ einfach möglich. Für den Einsatz ist jedoch eine Bohrung in die Kolbenstange
notwendig, in welche das Sensorrohr eintauchen kann. Je größer die Hubbewegung
des Zylinders, desto tiefer muss auch die Bohrung sein. Bei großen Zylindern,
für Hallentore zum Beispiel bedeutet dies eine Bohrung im Meterbereich. Einen
Zylinderkolben im Meterbereich völlig senkrecht und ohne Verkippung hohl zu
bohren ist ein immenser Aufwand.
Anstelle einer
integrierten Wegmessung kann auch außen an den Zylinder ein Seilzugsensor
montiert werden. Diese Methode ist einfach zu realisieren und kann Messbereiche
von einigen Metern leisten. In rauen Umgebungen jedoch, in denen Zylinder
häufig eingesetzt werden, ist der Seilzugsensor nur bedingt einsetzbar, da
Schmutz und mechanische Belastungen den Sensor auf Dauer zerstören. Diese
Einschränkung gilt auch für die Verwendung von optischen oder magnetischen Massstäben.
Hierbei wird der Massstab ebenfalls außen am Zylinder angebracht. Ein auf den
Stab aufgebrachtes Raster wird optisch oder induktiv abgetastet. Da auch dieser
Sensor außen am Zylinder sitzt, ist er für Verschmutzungen anfällig.
Aufgrund der
genannten Einschränkungen haben die beiden Unternehmen Sensor-Technik Wiedemann
aus Kaufbeuren und Micro-Epsilon aus Ortenburg nach einer alternativen Lösung
gesucht. Beide besitzen langjährige Erfahrung im Bereich der Sensorik.
Integrierte Seilzugsensoren
Bei der Entwicklung
wurde insbesondere darauf geachtet, dass der Sensor auch für raue Umgebungen
geeignet ist und auch bei größeren Zylindern keinen erheblichen Mehraufwand für
die Integration bedeutet.
Die gemeinsam
entwickelte Lösung basiert auf einen Seilzugsensor, der in den Zylinder
integriert wird. Dort ist er völlig geschützt vor äußeren Einflüssen. Der
Sensor sitzt am Zylinderboden, das Messseil wird am Kolbenboden eingehängt.
Besondere Herausforderung ist dabei die Sensorkonstruktion und die
Signalführung nach Außen, da eine Bohrung im Zylindergehäuse immer eine
Schwachstelle ist. Bei Drücken von bis zu 600 bar im Zylinder ist eine Leckage
ein Risiko, das es zu vermeiden gilt.
Die wesentlichen Elemente eines herkömmlichen Seilzugsensors sind neben
dem Gehäuse, die Feder, die Trommel, das Messseil und ein Winkelmesser als
Sensorelement. In dieser Anwendung kann auf ein Gehäuse für den Sensor
verzichtet werden. Diese Funktion übernimmt der Zylinder.
Jede Bewegung verursacht eine Rotation der Seiltrommel. Die Drehbewegung
wird über ein Getriebe auf zwei Wellen mit unterschiedlicher Drehgeschwindigkeiten
aufgeteilt. Am Zylinderboden befindet sich ein Magnet auf jeder Welle, deren
Positionen durch außen liegende magnetische Winkelsensoren ausgelesen werden.
Durch geeignete Wahl des Getriebes tritt jede Kombination der Magnetpositionen
über den gesamten Messbereich nur einmal auf. Damit besitzt der Sensor die
Eigenschaft eines Absolut-Encoders. Zum Thema Sensoraufbau und Funktion eines
Seilzugsensors konnte Micro-Epsilon viel Know-How zur Entwicklung beitragen.
Berührungslose Signalübertragung
Zylinderwandungen
bestehen aufgrund der hohen Drücke aus relativ dickem Metall. Eine magnetische
Signalübertragung durch derart dicke Wandungen ist für messtechnische
Anforderungen nicht geeignet. Durch die Erfahrung von Sensor-Technik Wiedemann
in der Druckmesstechnik konnte eine Lösung dafür gefunden werden, ohne die
Zylinderkonstruktion zu schwächen. An den Stellen, an denen die beiden
Getriebewellen zum Zylinderboden gelangen, wird der Stahl verjüngt und eine
spezielle Membran wird eingeschweißt. Durch diese Membran wird eine magnetische
Signalübertragung mit ausreichender Qualität erreicht. Die minimal mögliche
Wandstärke wurde durch FEM-Berechnungen ermittelt.
Die außen liegende
Elektronik ist besonders flach ausgeführt und kann einfach an den Zylinderboden
befestigt werden. Die Elektronik ist mit Kabel- oder Steckerausgang verfügbar.
Als Ausgangsvarianten werden 4 – 20 mA oder ein CAN-Interface angeboten.
Anwendungsgebiete
Durch den
Seilzugsensor kann das System einfach auf unterschiedliche Zylinderlängen und
Durchmesser sowie die verschiedensten Betriebsbedingungen angepasst werden.
Der neue
Seilzugsensor wireSENSOR WDS-TZ10 ist insbesondere für Zylinder ab einer
Hubhöhe von 0,5 m bis etwa 15 m geeignet. Das Öl des Zylinders umgibt den
Seilzugsensor, welches dadurch eine gewisse Schmierfunktion für den Sensor
bedeutet und eine hohe Lebensdauer ermöglicht. Durch das Einhaken des Messseils
ist dieses Verfahren auch für kolbenstangenlose Zylinder geeignet. Zylinder mit
dieser Art der Wegmessung eignen sich besonders für raue Umgebungen und in
mobilen Maschinen.
Der TZ10 ist eine
passende Ergänzung zu dem magnetostriktiven Verfahren für kurze Zylinderhübe.
