Heutzutage werden Steuerungskomponenten aus Gründen der Sicherheit oder einer erhöhten Verfügbarkeit in vielen Fällen redundant ausgeführt. Dies erfordert, dass auch die Sensoren zur Erfassung einer Messgröße auf diese Weise ausgeführt und installiert werden. Im folgenden Beitrag lesen Sie, wie Sie mit geringem Aufwand drei Positionssensoren in einen Zylinder integrieren.
Die Kolbenbewegung eines Hydraulikzylinders wird kontinuierlich gemessen, um jederzeit die Position des Elements, das durch den Zylinder bewegt wird, in der Steuerung abbilden zu können. Im Stahlwasserbau werden zum Beispiel Schleusentore mithilfe von Hydraulikzylindern geöffnet und geschlossen. Zur Überwachung und Steuerung der Tore aus dem Leitstand muss kontinuierlich die Position erfasst werden. Für die Messung der Kolbenbewegung eines Zylinders werden magnetostriktive Sensoren verwendet. Ein solcher Sensor wird in einen Hydraulikzylinder integriert und erfasst jederzeit die Position der Kolbenstange. Dabei taucht ein starrer, druckfester Stab in die Tiefl ochbohrung der Kolbenstange ein, während sich die Sensorelektronik am Zylinderboden außerhalb des Zylinders befindet.
Im Bereich Stahlwasserbau sind laut Bundesanstalt für Wasserbau etwa 30 Prozent der Schleusen älter als 100 Jahre. Solche Bauwerke erfordern eine Instandsetzung oder einen Ersatzneubau. Dabei werden vielfach redundante Messsysteme eingesetzt, um die Anforderungen entsprechend der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zu erfüllen. Dies bedeutet, dass auch die integrierten Sensoren redundant ausgeführt werden müssen.
Um die Kolbenbewegung eines Hydraulikzylinders redundant zu erfassen, kann der magnetostriktive Sensor G-Serie GT3 von Temposonics eingesetzt werden. Bei diesem Sensor sind drei unabhängige Sensoren (Einheiten) in einem Gehäuse verbaut. Im Fall eines Austauschs muss der komplette Sensor ausgebaut werden. Es ist nicht möglich, nur eine der drei Einheiten innerhalb des Sensors zu ersetzen. Zudem wird hinter dem Zylinder viel Platz benötigt: Der starre Sensorstab ist so lang wie der Kolbenhub. Um den Sensor aus dem Zylinder herauszunehmen und einen Ersatzsensor einzusetzen, ist hinter dem Zylinder der Platz eines kompletten Kolbenhubs erforderlich.
Mit der Zielsetzung, den Austausch von Sensoren unter beengten Platzverhältnissen zu optimieren, entwickelte Temposonics ein redundantes Messsystem, bestehend aus drei einzelnen Positionssensoren. Um drei separate Sensoren bei kleinem Platzbedarf in einen Zylinder zu integrieren, müssen sie wie in einem Trichter zusammengeführt werden. Dazu sind Sensoren erforderlich, deren Messstäbe gebogen werden können wie bei dem Temposonics Sensor R-Serie V RFV.
Diese Sensoren erlauben aufgrund der Biegsamkeit ihrer Messstäbe eine Anordnung wie in Bild 01 dargestellt. Ein Halter beziehungsweise Sensorträger dient zur Aufnahme der drei RFV-Sensoren und führt die fl exiblen Messstäbe der Sensoren zusammen. Die drei Messstäbe werden im Zylinder in einem gemeinsamen druckfesten Sensorrohr geführt. Dieser Aufbau weist zwei wesentliche Vorteile auf:
Hydrosaar hat diese Variante zum Aufbau eines redundanten Messsystems in einem Hydraulikzylinder bei zwei Schleusen am Main umgesetzt. Die vorhandenen Hydraulikzylinder zur Bewegung der Schleusentore wurden überarbeitet und mit drei einzelnen RFV-Sensoren in einem Sensorrohr ausgestattet. Dazu wurden bei den Bestandszylindern folgende Anpassungen vorgenommen:
Zur Führung der drei RFV-Sensoren im Zylinder wurde dasSensorrohr H3 von Temposonics verwendet. Der von Hydrosaar entwickelte Halter dient zur Aufnahme und Zusammenführung der drei RFV-Sensoren. Dieser Halter ermöglicht ein einfaches Einführen der Messstäbe und sorgt für einen sicheren Halt bei Schwingung des Zylinders.
Das Gehäuse schützt die drei Sensorelektroniken außerhalb des Zylinders bei Überflutung vor Treibgut. Die Besonderheit dieses Gehäuses ist der zweiteilige Aufbau. Der Sensorträger trennt den oberen Teil vom unteren Bereich und dient zur Aufnahme der Sensoren. Um die Kabel an die Sensoren anzuschließen, muss lediglich der Deckel demontiert werden. Der untere Teil des Gehäuses enthält die Zusammenführung der drei RFV-Sensoren. Beide Teile des Gehäuses können separat oder als eine Einheit demontiert werden. Aufgrund des geringen Gewichts des Gehäuses von weniger als 4 kg kann das Gehäuse bei der Montage wie auch bei der Demontage von einem Mitarbeiter mit einer Hand gehalten werden. Die Besonderheit der flexiblen Messstäbe bietet bei der Demontage beziehungsweise Montage vor Ort einen enormen Vorteil: Aufgrund der Biegsamkeit der Messstäbe kann das Gehäuse mit den Sensoren seitlich weggekippt und abgenommen respektive aufgesetzt werden. Dadurch wird hinter dem Zylinder ein Platz von nur etwa 500 mm benötigt.
Wie erwähnt bietet der Aufbau den Vorteil, die Sensoren einzeln auszutauschen. Aufgrund des modularen Gehäuses kann ein Sensor an einer Schleuse vor Ort in etwa 30 Minuten aus- und wieder eingebaut werden. Dies ist eine deutliche Zeitersparnis im Vergleich zu dem Aufwand, der erforderlich ist, wenn der Zylinder für den Austausch eines Sensors ausgebaut werden muss. Die Umsetzung beweist, dass es mit minimalem Aufwand möglich ist, in einem Zylinder drei einzelne magnetostriktive Positionssensoren in einem Rohr zu integrieren: Einfach mit dreifach!
Ein magnetostriktiver Positionssensor wird in einen Hydraulikzylinder integriert, indem der Sensorstab in die aufgebohrte Kolbenstange eintaucht. Über den Flansch wird der Zylinder abgedichtet, sodass keine Hydraulikflüssigkeit austritt. Der Positionsmagnet, welcher die zu erfassende Position markiert, wird am Boden der Kolbenstange montiert und bewegt sich mit der Kolbenstage. Diese Position wird von der Sensorelektronik kontinuierlich erfasst und ausgegeben.