TR Ausgabe > Dezember 2009

Seilzugsensoren unter Druck Wegmessung im Hydraulikzylinder

Anwendungsbeispiel für Hydraulikzylinder in mobilem Einsatz. Neben der Abstützbreite kann auch die Ausfahrbewegung des Auslegers erfasst werden.

3D-Modell des entwickelten Sensors. Der gesamte Sensor befindet sich dabei innerhalb des Zylinders.

Der fertige Sensor in einen Zylinder integriert. Das Signal wird berührungslos nach außen geführt.

Wegmessung in Hydraulikzylindern 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 Hydraulikzylindern 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.

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