Druck- und Wegsensoren

Andreas Mühlbauer,

Daten für die Mensch-Maschine-Maschine-Kommunikation

Gefran, Lösungs- und Komponentenanbieter für die Bereiche Automatisierung, Antriebstechnik und Sensorik, hat in diesem Jahr unter anderem mit der Produktreihe Hyperwave eine hochpräzise und robuste Serie magnetostriktiver Wegaufnehmer auf den Markt gebracht.

Durch die veränderte Anordnung der Empfängerspule (u. r.) blenden Hyperwave-Sensoren den longitudinalen Wellenanteil mechanisch aus. Nur der gewünschte torsionale Anteil geht in die Messung ein. © Gefran

Massedrucksensoren sind ein wichtiges Instrument zur Regelung und Sicherung des Extrusionsprozesses. Sie erfassen den Druck der Kunststoffschmelze während des Prozesses bei Temperaturen bis oberhalb von 500 °C. Dabei erkennen sie Überdrücke und schalten die Anlage ab, bevor Mitarbeiter oder Maschinen zu Schaden kommen. Zudem sind Überwachung und Regelung des Schmelzedrucks entscheidend für eine gleichbleibende Produktqualität.

Die Massedrucksensoren erfassen den Schmelzedruck in Extrudern an verschiedenen Stellen. © Gefran

Das Gefran-Portfolio umfasst füllmedienfreie und füllmedienhaltige Sensoren. Flüssigkeitsgefüllte Sensoren nutzen das Prinzip der hydraulischen Druckübertragung. Der Druck wird dabei über eine Membran mit aufgeklebtem Dehnungsmessstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Typische Sensorflüssigkeiten sind Natrium-Kalium, Öl oder Quecksilber. Allerdings löste die RoHS-Verordnung einen Trend hin zu füllmedienfreien Sensoren aus. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist der Impact. Sein Messelement ist ein Mikroelektromechanisches System (MEMS) und arbeitet nach dem piezoresistiven Messprinzip. Ein quadratischer Siliziumchip trägt Membran und Messelement. Die Messung selbst übernimmt eine in SOI-Technik (Silicon on Insulator) aufgebaute Wheatstone‘sche Messbrücke. Der Chip verfügt über eine Isolationsschicht und eignet sich für eine Dauertemperatur bis zu 350 °C.

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Sensoren mit IO-Link

Sensoren dienen jedoch nicht nur der Maschinensicherheit und der Optimierung der Produktqualität. Sie sind auch unverzichtbare Bausteine für eine erfolgreiche Maschine-zu-Maschine- und Mensch-zu-Maschine-Kommunikation. Gleichzeitig gestatten sie den optimalen Datenaustausch zwischen den verschiedenen Automatisierungssystemen, die Maschinensteuerung und -synchronisierung sowie die Überwachung der Produktionsanlagen.

Für die Anforderungen von Industrie 4.0 hat Gefran daher seine neuen Sensoren, Leistungssteller und Regler mit dem Kommunikationsstandard IO-Link und RTE/ProfiNET für den ehternetbasierten Datenaustausch in Echtzeit ausgestattet – darunter auch die Massedrucksensoren (Baureihe IL). Das IO-Link-Protokoll gestattet die Selbstdiagnostik der Sensoren zur vorbeugenden Wartung und Vermeidung von Maschinenstillständen. Weiterer Vorteil: die IO-Link-Sensoren stellen zusätzlich zum Drucksignal auch ein Temperatursignal in der Messspitze bereit und erhöhen damit die Zahl der Prozessparameter. Gleichzeitig steigt durch die automatische Prüfung der Sensorparameter wie beispielsweise Druck, Sicherheitsabschaltung oder Nullpunktüberwachung die Anlagenzuverlässigkeit. Zudem verfügen alle IL-Massedrucksensoren über PLd- und SIL2-Zulassungen. Damit eignen sie sich für sämtliche Anwendungen der funktionalen Sicherheit. Die IL-Sensoren sind sowohl mit unterschiedlichen Füllmedien als auch zukünftig in der füllmedienfreien Impact-Version erhältlich.

Potentiometrische und magnetostriktive Wegaufnehmer

Seit rund 50 Jahren entwickelt und fertigt Gefran potentiometrische und magnetostriktive Wegaufnehmer zur Erfassung von Position und Weg verfahrender Maschinenteile. Potentiometrische Wegsensoren bestehen im Wesentlichen aus Schleiferbahn und Schleifer. Sie werden typischerweise im Bereich Kunststoffspritzguss, Pneumatik und Pressen eingesetzt und lassen sich einfach installieren. Die Auflösung des Ausgangssignals ist praktisch unendlich. Potentiometer arbeiten mit geringen Spannungen, sind in vielen verschiedenen Bauformen verfügbar und vergleichsweise preisgünstig. Allerdings sind sie auch verschleißanfällig und wartungsintensiv. So müssen sie in der Regel nach rund 100 Millionen Hüben oder eher ausgetauscht werden und eignen sich nur bedingt für den Einbau in Zylinder. Zudem verändert sich ihre Messgenauigkeit über die Lebensdauer.

Magnetostriktive Wegaufnehmer arbeiten dagegen berührungslos. Sie sind damit verschleiß- und wartungsfrei. Ihre Lebensdauer ist nahezu unbegrenzt – bei gleichbleibend hoher Genauigkeit bis 0,01 Prozent. Die Auflösung des Ausgangssignals beträgt bis zu 0,5 µm. Magnetostriktive Wegaufnehmer lassen sich problemlos in Hydraulikzylinder montieren. Ihr Gehäuseaufbau garantiert hohe IP-Schutzklassen, ist robust gegen Verschmutzung und beständig gegen hohe Drücke. Aufgrund dessen eignen sie sich ideal für hydraulisch bewegte Achsen. Das Messprinzip gestattet auch die Messung von zwei oder mehr Positionsgebern. Übrigens: Da es sich um eine absolute Wegmessung handelt, entfällt eine Referenzfahrt beim Anlagenstart. Aufgrund dieser zahlreichen Vorteile lösen magnetostriktive Sensoren nach und nach die Potentiometer ab.

Die neue Technik

Die jüngste Generation der magnetostriktiven Wegaufnehmer ist mit der sogenannten Hyperwave-Technologie ausgestattet. Dank einer veränderten Anordnung der Empfängerspule wird der longitudinale Wellenanteil mechanisch ausgeblendet und nur der gewünschte torsionale Signalanteil geht in die Messung ein. Dadurch ist das Signal-Rausch-Verhältnis der Hyperwave-Sensoren um ein 15-faches besser als bei den Vorgängermodellen. Damit ist das Signal wesentlich stabiler gegenüber Vibrationen und Stöße und garantiert eine hohe EMV-Störfestigkeit der berührungslosen Positionsaufnehmer sowie deren durchgehend präzisen und kontinuierlichen Betrieb.

Zudem gewährleisten Hyperwave-Sensoren eine hohe Wiederholgenauigkeit bei einem sehr geringen Nichtlinearitätsfehler. Sie eignen sich für ein Temperaturspektrum von -30 bis 90 °C und sind auch bei Extremwerten zuverlässig.

Hohe Vibrationstoleranz, Wartungsfreiheit und lange Lebensdauer

Im Detail zeichnen sich die magnetostriktiven Wegaufnehmer mit Hyperwave-Technik durch eine hohe Toleranz gegenüber Vibrationen und Stößen aus. Die Positionsbestimmung erfolgt durch die Wechselwirkung zweier Magnetfelder. Das erste Magnetfeld wird durch einen Stromimpuls entlang des gesamten Sensors erzeugt und interagiert mit dem zweiten, bestehend aus dem Positionsmagneten, der an der bewegten Achse befestigt wird. Die magnetostriktive Funktionsweise ohne mechanischen Kontakt macht das System nahezu verschleißfrei, reduziert damit die Ausfallzeiten deutlich und sorgt für eine fast unbegrenzte Lebensdauer. Zudem sind die Geräte mit einem wasserdichten Gehäuse nach Schutzart IP67 ausgestattet. Dank dieser Eigenschaften sind die berührungslosen magnetostriktiven Wegaufnehmer optimal für den Einsatz in anspruchsvollen Industrieumgebungen geeignet.

Gefran bietet die berührungslosen Wegaufnehmer in Profil- und Stabbauform an. Die Bauart Profil ist universell einsetzbar und lässt sich einfach mit Halterungen direkt an der zu messenden Struktur montieren. Der Positionsgeber ist wahlweise frei oder geführt.

In der Stabbauform aus Edelstahl werden Hyperwave-Wegaufnehmer vor allem in Hydraulikzylindern mit Betriebsdrücken bis 350 bar eingesetzt, um die Position des Kolbens in Echtzeit zu erfassen. Sie lassen sich dank einer magnetischen Schwimmerausführung auch als Füllstandsensor verwenden. Beide Bauformen sind mit Analogsignal oder digitalen Schnittstellen (SSI, Feldbusse wie CANopen, Profibus, ProfiNET) lieferbar. Dabei ermöglicht die große Auswahl an Analogausgängen die direkte Messung von Weg und Geschwindigkeit sowie die inverse Messung mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit.

Beide Hyperwave-Bauarten sind in drei verschiedenen Varianten erhältlich: General mit einem Messbereich bis zu 1.500 mm, Plus bis zu 2.500 mm und Advanced bis zu 4.000 mm. Typische Anwendungen sind Tänzerregelung (Basisausführung), Pressen (Plus-Ausführungen) und Spitzgießmaschinen, Windkrafträder oder Staumauertore (Advanced-Variante). Ab dem ersten Quartal 2020 wird die Advanced-Variante um eine ProfiNET-Schnittstelle erweitert, die speziell auf die Bedürfnisse der Metallindustrie ausgelegt ist.

Um die Anforderungen von Industrie 4.0 zu erfüllen, stattet Gefran seine Produkte mit IO-Link aus – so auch die Wegaufnehmer der Hyperwave-Serie.

Fabian Ehing, Sensor Sales Specialist, Gefran Deutschland

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