Positionssensortechnologie für die Rückmeldung von Hydraulikzylindern

Alliance Sensors Group, eine Abteilung von HG Schaevitz LLC, Moorestown, New Jersey

Positionsrückmeldungssensoren für hydraulische oder pneumatische Zylinder verwenden eine von drei traditionellen Technologien: magnetostriktiv, variabler Widerstand und variable Induktivität. Da der Bedarf an verbesserter Steuerung und Funktionalität gestiegen ist, werden sensorgesteuerte Zylinder in der Schwerindustrie, im Unterwasserbereich und bei mobilen Geräten immer wichtiger. Letztendlich muss ein Benutzer oder Systemintegrator die Anforderungen der Anwendung bestimmen und feststellen, welche Technologie sie im Hinblick auf die Gesamtinstallationskosten im Verhältnis zur Leistung am besten erfüllt. Die Stärken und Schwächen von magnetostriktiven Sensoren, Sensoren mit variablem Widerstand und variabler Induktivität sind in der Abbildung dargestellt. Diese gängigen Sensortechnologien verwenden eine lange Sonde, die in ein tiefes Sackloch mit kleinem Durchmesser hineinragt, das in das innere Ende der Zylinderstange gebohrt wurde.

Potentiometerartige Sensoren mit variablem Widerstand, üblicherweise Potis genannt, werden dort eingesetzt, wo die Kosten eine entscheidende Rolle spielen und eine hohe Genauigkeit nicht im Vordergrund steht. Im Gegensatz zur Anschlussmontage magnetostriktiver Sensoren ist normalerweise ein Widerstandstopf in die hintere Endplatte des Zylinders eingebettet. Es verwendet einen isolierten runden Träger, der am inneren Ende der durchbohrten Zylinderstange befestigt ist und einen elektrisch leitenden Wischer trägt, der die Oberfläche einer teilweise leitenden Kunststoffsonde berührt. Während sich der Wischer entlang dieses Kunststoffelements bewegt, ändert sich sein Widerstand linear, sodass die Position des Trägers und damit der Stange relativ einfach bestimmt werden kann. Töpfe gelten aufgrund ihrer Robustheit, ihres günstigen Hub-Längen-Verhältnisses und ihres großen analogen Gleichspannungsausgangs, der einen großen Prozentsatz der Eingangsspannung ausmacht, als gute Positionsmesslösung für den Einsatz in Zylindern. Der größte Nachteil von Widerstandstöpfen ist der Verschleiß, insbesondere wenn der Zylinder mit hoher Frequenz betätigt wird oder, was noch wichtiger ist, über einen kurzen Bereich gedittert wird, um die dynamischen Eigenschaften eines Systems zu verbessern. Da ein Widerstandstopf in den Zylinder eingebettet ist, kann der Austausch eines verschlissenen Topfes sehr zeitaufwändig und teuer sein und sogar die Notwendigkeit eines komplett neuen Zylinders nach sich ziehen.

Positionssensoren mit variabler Induktivität wurden in der Zylinderindustrie eingesetzt, hatten jedoch nicht die weitverbreitete Anerkennung magnetostriktiver Sensoren oder Widerstandspotentiometer. Diese berührungslose Technologie bietet gegenüber Widerstandspotentiometern hinsichtlich der Produktlebensdauer und Langzeitzuverlässigkeit viele wesentliche Vorteile und kann im Hinblick auf Linearität, Auflösung und Frequenzgang in der Regel mit der Leistung magnetostriktiver Sensoren mithalten, allerdings zu deutlich geringeren Kosten. Ebenso wichtig ist die Tatsache, dass Sensoren mit variabler Induktivität viel stärkeren Stößen und Vibrationen standhalten können, wie sie beispielsweise häufig bei Anwendungen in der Schwerindustrie und bei mobilen Geräten auftreten.

Lineare Sensoren mit variabler Induktivität decken den Mittelweg zwischen dem höheren Leistungsniveau und der Flexibilität bei der Montage externer Anschlüsse, die mit einem magnetostriktiven Sensor verbunden sind, und der Robustheit und dem Preis eines eingebetteten Widerstandspotentiometers ab. Diese Sensoren messen die Resonanzfrequenz eines Oszillatorkreises, der eine induktive Sonde verwendet, deren Induktivität durch die Position des Bohrstabs darüber variiert. Typischerweise werden sie in Vollbereichsbereichen von 4" (100 mm) bis 36" (900 mm) angeboten und sind sowohl als Port-montierte als auch als eingebettete Gehäuse erhältlich, mit Stecker- und Kabelanschlüssen, die denen der meisten magnetostriktiven Sensoren im Katalog entsprechen. Diese Sensoren bieten entweder einen analogen Gleichspannungs- oder Stromausgang, wobei für OEM-Anwendungen ein SSI-Digitalausgang verfügbar ist. Der variable Induktivitätssensor stellt eine berührungslose Lösung dar, die keinen Ringmagneten erfordert. Wenn ein Sensor mit variabler Induktivität anstelle eines vorhandenen magnetostriktiven Sensors installiert würde, kann der Magnet tatsächlich am Zylinderstangenende belassen werden, ohne die Grundfunktion des Sensors zu beeinträchtigen.

In den letzten Jahren sind die Anforderungen an instrumentierte Zylinder für Unterwasseranwendungen dramatisch gestiegen. Sensoren mit variabler Induktivität können in einer druckdichten Version angeboten werden, die es einem Benutzer ermöglicht, den Sensor/Zylinder in einer Unterwasserumgebung in Tiefen von 10.000 Fuß (3.000 m) mit einem internen Hydraulikdruck von 3.000 psig zu installieren.

Die Fernfeldkalibrierung ist eine Standardfunktion, die bei vielen Sensoren mit variabler Induktivität angeboten wird. Mit dieser Funktion kann ein Benutzer die Ausgabe des Sensors skalieren, während er am Zylinder installiert wird. Durch Drücken einer Taste zum Einstellen des Nullpunkts und des Skalenendwerts gibt der Sensor über den neu eingestellten Bereich den gewünschten Skalenendwert ab, so dass eine Skalierung des Geräts in einem laufenden Steuersystem nicht mehr erforderlich ist.

In einer anderen Fluidtechnikanwendung werden LVDTs häufig in Spulenpositionsrückmeldungsanwendungen für zweistufige Hydraulikventile eingesetzt, auch wenn sie nicht häufig in Hydraulikzylindern eingesetzt werden. Ein variabler Induktivitätssensor mit kurzer Reichweite, dessen einfache induktive Sonde in ein Loch am Ende des Hauptkolbens eingeführt wird, lässt sich oft einfacher installieren als ein LVDT, der ein Isolierrohr benötigt, um seinen Kern vom Steuerdruck des Ventils abzudichten.

Wo es viele Fluidtechnikanwendungen gibt, bei denen Widerstandspotentiometer und magnetostriktive Sensoren eine gute Lösung sind, tendieren diese Anwendungen dazu, auf beiden Seiten einer Glockenkurve zu liegen. Jüngste elektronische Fortschritte und die Flexibilität der Gehäusedesigns machen Sensoren mit variabler Induktivität für gängige Anwendungen im Zylinder, die sich tendenziell nahe dem Scheitelpunkt dieser Glockenkurve befinden, sehr kosteneffektiv.

Diese Arbeit wurde von Edward E. Herceg, Chief Technology Officer bei Alliance Sensors Group, einem Geschäftsbereich von HG Schaevitz LLC, durchgeführt. Für weitere Informationen klicken Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2015 des NASA Tech Briefs Magazine.

Weitere Artikel aus dieser Ausgabe finden Sie hier.

Weitere Artikel aus dem Archiv lesen Sie hier.

Themen: