Eine raue industrielle Umgebung stellt hohe Anforderungen an die Messsensorik.

Eine raue industrielle Umgebung stellt hohe Anforderungen an die Messsensorik.MTS

Bei zahlreichen Anwendungen sowohl in der Industrie als auch in der Luft- und Raumfahrt oder dem Transportwesen müssen Positionssensoren im jeweiligen Umfeld schwierigen Betriebsbedingungen standhalten. Sie können hohen Drücken, Schock, Vibration und elektromagnetischen Störeinflüssen, ätzenden oder korrodierenden Substanzen, Staub, Flammen und sogar explosionsfähigen Atmosphären ausgesetzt sein. Hohe Betriebstemperaturen jedoch wirken sich am stärksten auf die Lebensdauer von Sensoren aus. Im Walzwerk, auf Öl- und Gasbohrinseln in Küstennähe, in Kraftwerken, Holzpressen, Spritzgießanlagen, thermoplastischen Verarbeitungsmaschinen und auf zahllosen weiteren Anwendungsgebieten ist ein erweiterter Temperaturbereich für Elektroniksysteme unabdingbare Voraussetzung. Die Weiterentwicklung in der Prozesstechnik wird sogar zu noch höheren Temperaturanforderungen führen.

Auswirkungen extremer Temperaturen

Eines der größten Probleme beim Einbau von Positionssensoren in eine anspruchsvolle betriebliche Umgebung sind temperaturbedingte Messfehler. Diese Fehler können die Qualität der erfassten Positionsdaten und damit auch die Leistung der Messsysteme erheblich beeinträchtigen. In einigen Fällen können Korrekturberechnungen mit komplexen Algorithmen Abhilfe schaffen.

Eckdaten

Positionssensoren mit Temposonics-Technologie von MTS eignen sich besonders für den in Einsatz Industrieanlagen mit hohen Umgebungstemperaturen. Das sehr genaue magnetostriktive Messsystem arbeitet berührungslos und ist langlebig und verschleißfrei. Es bietet ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit und ist auch robust gegenüber Schock, Vibration und hohen Drücken. Die Ausgangssignale sind analog oder über diverse industrielle Datenprotokolle verfügbar und ermöglichen eine Echtzeit-Positionserfassung.

Hohe Temperaturen ziehen aber nicht nur das Messelement in Mitleidenschaft, sondern die gesamte damit verbundene Signalverarbeitungselektronik. Normalerweise wird im Datenblatt für Halbleiter die durchschnittliche Zeit bis zum ersten Ausfall eines Systems (MTTF, Mean Time To Failure) bei Umgebungstemperaturen von 25 °C angegeben. Dieser Wert sinkt bei höheren Betriebstemperaturen beträchtlich. Generell halbiert sich der MTTF-Wert für ein Halbleiterbauteil pro 10 K Temperaturanstieg über deren optimale Temperatur hinaus. Für viele der Bauteile industrieller Sensoren gelten nominale Betriebstemperaturen bis zu 85 °C. Neben der Umgebungstemperatur ist die Eigenerwärmung eines Sensors zu berücksichtigen. Hier schaffen die Sensorhersteller mit einer speziellen Halbleitertechnik Abhilfe, die für einen höheren Temperaturbereich geeignet ist. Allerdings sind die Stückpreise dieser Komponenten in der Regel höher, wodurch die Gesamtkosten des Sensorsystems für den Kunden steigen.

Für eine Verringerung des Ausfallrisikos werden Sensor und Elektronik häufig in ein hermetisch gekapseltes Gehäuse eingebaut, welches gekühlt werden kann. Bei Anwendungen anspruchsvoller Umgebungen mit extrem hohen Betriebstemperaturen, beispielsweise Walzwerke, wird die Messelektronik vom temperaturbelasteten Umfeld ausgelagert.

Bild 1: Das magnetostriktive Funktionsprinzip eines Temposonics-Positionssensors.

Bild 1: Das magnetostriktive Funktionsprinzip eines Temposonics-Positionssensors.MTS

Das magnetostriktive Messprinzip

Konventionelle Messtechniken wie elektromechanische Sensoren und Potentiometer sind relativ kurzlebig und werden mit zunehmendem Betriebsalter immer verschleißanfälliger. Optische Sensoren können durch Verschmutzung und Staub beeinträchtigt werden und erfordern ständiges Reinigen. Als robustes Messverfahren unter erschwerten Umgebungsbedingungen hat sich das Magnetostriktionsprinzip zur präzisen, berührungslosen Positionserfassung durchgesetzt. Dieses Prinzip ist keineswegs neu, denn die magnetostriktiven Eigenschaften bestimmter Materialien wurden bereits vor nahezu zwei Jahrhunderten von dem Wissenschaftler James Prescott Joule erforscht. Im Laufe der Jahre hinzugekommene Innovationen machen dieses Messprinzip heute zu einem sehr zuverlässigen und äußerst präzisen Verfahren der Positionsmesstechnik.

Das Grundprinzip der Magnetostriktion ist einfach: Befindet sich ein Objekt aus ferromagnetischem Material (zum Beispiel Eisen, Nickel oder Kobalt) in einem Magnetfeld, kommt es zu einer mikroskopischen Verformung seiner Molekülstruktur. Infolgedessen verändern sich die Abmessungen des Objekts proportional zur Stärke des Magnetfeldes, was messtechnisch erfasst wird. Da Positionsmessung nach dem Magnetostriktionsprinzip keine beweglichen Teile erfordert, unterliegt sie keinerlei mechanischer Spannung. Aus diesem Grund bieten magnetostriktive Sensoren deutliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Sensoren, sie haben eine erheblich längere Lebensdauer und arbeiten unter rauesten Einsatzbedingungen sehr viel zuverlässiger.

Bild 2: Positionssensoren sind mit profilgeführten Magnetschlitten oder freilaufenden Magneten erhältlich.

Bild 2: Positionssensoren sind mit profilgeführten Magnetschlitten oder freilaufenden Magneten erhältlich.MTS

Aufbau der Positionssensoren

Dank des Magnetostriktionsprinzips ist die patentierte Positionssensortechnologie Temposonics für anspruchsvollste industrielle Anwendungen optimal geeignet. Dieses Sensorsystem besteht aus einem ferromagnetischen Wellenleiter, einem positionsbestimmenden beweglichen Permanentmagneten, einem Dehnungsimpulswandler und unterstützender Elektronik. Der bewegliche Magnet ist fest mit dem Positionsmessobjekt verbunden. Er erzeugt an der Stelle, an der er sich auf dem Wellenleiter befindet, ein in Längsrichtung verlaufendes Magnetfeld. Das Sensorelement sendet einen kurzen Stromimpuls durch den Wellenleiter und erzeugt ein radiales Magnetfeld, welches mit dem Magnetfeld des externen Permanentmagneten interagiert. Das Magnetostriktionsprinzip bewirkt im Wellenleiter eine elastische Verformung, die eine längs verlaufende Ultraschalltorsionswelle erzeugt. Am Wellenleiterende wird der Torsionsimpuls in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die akustische Welle läuft mit konstanter Geschwindigkeit am Wellenleiter entlang und ermöglicht durch eine Laufzeitmessung vom Zeitpunkt der Stromimpulsaussendung bis zum Eintreffen der Ultraschallwelle eine genaue Positionsbestimmung des externen Magneten. Da das Ausgangssignal des Sensors eine absolute Position beinhaltet, entfällt eine Referenzierung bei Einschalten des Messsystems. Bei Verwendung mehrerer Gebermagnete kann das Messsystem eines einzigen Sensors gleichzeitig mehrere Positionen bestimmen, wodurch die Anzahl an Positionsmesseinheiten im Messumfeld reduziert werden kann.

Bild 3: Sensor-Typ RD4 mit abgesetzter Auswerteelektronik.

Bild 3: Sensor-Typ RD4 mit abgesetzter Auswerteelektronik.MTS

Einsatzbereiche für Positionssensoren

Positionssensoren von MTS gibt es in vielen Konstruktionsvarianten für unterschiedlichste Anwendungen. Beispielsweise sind die Messstäbe mit profilgeführten Magnetschlitten oder freilaufenden Magneten erhältlich.

Der Sensortyp RD4 aus der R-Serie hat eine abgesetzte Elektronik, welche in kühleren Umgebungen abseits von Messstellen mit hoher Temperatur installiert werden kann, während das eigentliche Messelement für Temperaturen bis über 100 °C beständig ist.

RF-Sensoren eignen sich mit ihrem flexiblen Messstab für nichtlinear bewegte Anwendungen. Sie beherrschen Multi-Positionsmessung für maximal zwanzig Positionen gleichzeitig mit nur einem Sensor bei einer Messlänge bis zu 2 m.

Bild 4: Sensor-Typ RF mit flexiblem Messstab.

Bild 4: Sensor-Typ RF mit flexiblem Messstab.MTS

Positionssensoren der GB-Serie sind mit Betriebstemperaturen bis 75 °C und einer Druckfestigkeit bis 700 bar für anspruchsvolle Anwendungen in Hydraulikzylinder konzipiert. Das flache, kompakte Gehäuse eignet sich für den Einsatz unter extrem beengten räumlichen Verhältnissen.

Der robuste GTE-Typ ist ein redundanter Sensor für einen ausfallsicheren Einsatz unter sehr rauen Betriebsbedingungen. Er eignet sich wie der GB-Typ für den Einbau in Hydraulikzylindern. Der Doppelsensor besitzt zwei voneinander unabhängige, komplette Messsysteme in einem Gehäuse und bietet dem Anwender langfristig funktionelle Integrität. Jede Messeinheit besteht aus Sensorelement, Stromversorgungs- und Auswertungselektronik und liefert ein eigenes Ausgangssignal.

Die kleinen magnetostriktiven Positionsmessstäbe der kostengünstigen ET-Serie messen linear und arbeiten bei erhöhten Temperaturen bis 105 °C. Sie sind für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen mit ATEX-Zertifikat zugelassen und im Bedarfsfall im korrosionsbeständigen Gehäuse aus Edelstahl 1.4404 (AISI 316L) lieferbar.

Bild 5: Im Hydraulikzylinder eingebauter Positionssensor mit erhöhter Temperatur- und Druckfestigkeit.

Bild 5: Im Hydraulikzylinder eingebauter Positionssensor mit erhöhter Temperatur- und Druckfestigkeit.MTS

MTS-Sensoren werden in der Regel mit 24 VDC versorgt und liefern Ausgangssignale abhängig vom Sensortyp in unterschiedlichen Formaten wie Analogsignal (-10 / 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA) oder serielle Datenübertragung wie SSI (Synchronous Serial Interface, RS422/482), CAN, Profibus-DP, EtherCAT, Ethernet/IP, Powerlink, Profinet. Einige Datenprotokolle eignen sich für Anwendungen mit Echtzeit-Positionserfassung.

Zusammenfassung

Das magnetostriktive Positionsmessverfahren erfolgt berührungslos, ist verschleißfrei und eignet sich für ein breites Spektrum von anspruchsvollen Messtechnikaufgaben in der modernen Industrie. MTS-Sensoren mit Temposonics-Technologie bieten ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit für Messsysteme insbesondere beim Einsatz im Hochtemperaturbereich. Die langlebigen Messsysteme funktionieren praktisch wartungsfrei und sind auch robust gegenüber Schock, Vibration und hohen Drücken.