Magnetostriktive Linearwegsensoren haben die Entwicklung vom Trend zum Standard in der Fluidbranche schon hinter sich. Die Geräte werden zur schnellen Erfassung der Kolbenposition hydraulischer Achsen ebenso eingesetzt wie zur langsamen, aber hochgenauen Anstellung einer Walze innerhalb eines Walzgerüstes. Da die Wegerfassung direkt im Zylinder erfolgt, ist sie unempfindlich gegenüber externen Einflüssen und schließt mögliche Ungenauigkeiten durch Übertragungselemente sowie Spiel von vornherein aus.

Bei der Erfassung von Linearbewegungen setzen Anwender sowohl auf induktive als auch auf magnetostriktive Messsysteme. Die Unterschiede der beiden Systeme qualifizieren sie für verschiedene Anwendungen: Während der magnetostriktive Sensor typischerweise innerhalb eines Fluidzylinders verbaut wird, messen induktive Sensoren Wege direkt an Linearachsen oder bewegten Teilen.

Induktive Linearweg-Messsysteme basieren auf einer sogenannten Schwingkreiskopplung, die einen über dem Sensor schwebenden Positionsgeber berührungs- und verschleißfrei erfasst. 

Magnetostriktive Linearweg-Messsysteme basieren hingegen auf einem physikalischen Torsions-Effekt. Der Sensor schickt einen elektrischen Start-Impuls über einen Wellenleiter. Durch diesen Impuls erzeugt ein magnetischer Positionsgeber eine Tor­sionswelle auf dem Wellenleiter, die vom Positionsgeber Richtung Sensoreinheit läuft. Gemessen wird die Laufzeit vom Impuls bis zur detektierten Torsionswelle, daraus wird die Entfernung zum Positionsgeber berechnet. Der wesentliche Vorteil gegenüber induktiven Systemen ist der, dass die Messlänge magnetostriktiver Sensoren durch einen quasi unendlich verlängerbaren Wellen­leiter nahezu unbeschränkt ist.
 

Berührungslos messen

Das magnetostriktive Messsystem hat im Wesentlichen zwei ­Vorteile:
● Magnetostriktive Messverfahren arbeiten absolut berührungslos und verschleißfrei. Dadurch bleiben wichtige Eigenschaften der Sensoren, wie Genauigkeit und Linearität, über den gesamten Lebenszyklus erhalten.
● Dank des berührungslosen Wellenleiter-Messprinzips lassen sich magnetostriktive Sensoren in Stab-Bauform fertigen und ermöglichen so einen unkomplizierten Einbau in Hydraulikzylindern. Dazu wird die Kolbenstange hohlgebohrt, um den Messstab des Sensors aufzunehmen. Am Kolbenboden des Zylinders ist ein Magnet befestigt. Dieser Positionsgeber schiebt sich beim Einfahren des Hydraulikzylinders auf den Messstab. Durch die Integration des Messstabs im Zylinder ist dieser vor äußeren Einflüssen und mechanischen Schäden geschützt. Lediglich die Sensor-Einheit ragt außen am Ende des Zylinders heraus.

Der 'LTX' in Edelstahl-Ausführung ist speziell in der Schwerindustrie beliebt und entspricht Schutzart IP68.

© Turck

Die magnetostriktive Wegmessung ist der Standard in der ­Hydraulik. Lediglich bei sehr langen Hüben oder Teleskop­zylindern müssen die Hydraulikhersteller auf alternative Messverfahren zurückgreifen 

Eines der jüngeren alternativen Systeme zur Erfassung der Hydraulikkolbenposition besteht aus einer optischen Lese-Einheit, die außen am Hydraulikzylinder montiert ist, und einer mit Barcode gelaserten Kolbenstange. Die Lese-Einheit liest den Barcode beim Ein- und Ausfahren des Kolbens ab und ermittelt aus dem Verlauf des Codes die aktuelle Position und somit den Hub des Kolbens. Bei diesem System erhält der Nutzer eine absolute Positionsinformation. Das System ist relativ preisgünstig, da das Lasern des Kolbens weniger kostet als die Langlochbohrung der Kolbenstange, die magnetostriktive Sensoren erfordern. Ein Nachteil des Barcode-Systems ist aber die Anfälligkeit der optischen Einheit für Verschmutzung. Zudem muss die Kolbenstange zwingend gegen Verdrehen gesichert werden, damit der Lesekopf den Code exakt erfassen kann. 

Absolute Positionsmessung

Weitaus häufiger werden daher magnetostriktive Linear­wegsensoren eingesetzt, die eine absolute Position messen und ohne Referenzfahrten nach Maschinenstopps auskommen. Die Sensoren müssen absolute Signale liefern und sich einfach einrichten lassen. Zudem muss die Verbindung mit den in der jeweiligen Branche üblichen Schnittstellen der Maschinensteuerung problemlos erfolgen. Dabei sind nicht alle Arten von Linearwegsensoren für jede Branche und Anwendung gleich gut geeignet. Daher bieten die Hersteller Linearweg­sensoren für die unterschiedlichsten Branchen an. Neben ­magnetostriktiven Sensoren zum Einsatz in der Fabrikauto­mation bietet Turck beispielsweise Geräte zum Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen an. 

Der Linearwegsensor ‚LTX‘ etwa ist ein druckfester Sensor in Stab-Bauform speziell für den Einsatz in industriellen Hydraulikzylindern. Die Sensoren dieser Sensorfamilie sind dank dem Gehäuse in Schutzart IP68 resistent gegenüber Feuchtigkeit und Staub. Der Messstab ist aus Edelstahl gefertigt und schützt so das innenliegende Messsystem. Alternativ gibt es den Linearwegsensor komplett aus Edelstahl, was insbesondere für die Schwerindus­trie interessant ist. Der bis zu einer Länge von 7600 mm verfügbare Sensor widersteht Vibrationen bis 30 g und Schocks bis 100 g. Die LTX-Geräte sind mit einem Auto-Tuning-System zur Inbetriebnahme ausgestattet, der Sensor stellt sich automatisch auf den jeweils genutzten Positionsgeber ein und ermöglicht so eine unkomplizierte und sichere Inbetriebnahme. Blindzonen lassen sich mit einem optional erhältlichen Teach-Adapter vor Ort an die Applikation anpassen. 
 

Einfaches Handling

Bei einem Austausch des Sensors oder einer Fehlerdiagnose lässt sich das Elektronikgehäuse samt Messsystem unkompliziert entfernen. Dafür ist lediglich der eigentliche Sensor über zwei Schrauben vom Druckrohr zu trennen. Der Zylinder bleibt hydraulisch unter Druck stehend verschlossen, während der eigentliche Sensor sicher entfernt wird. Die Diagnose des ­Sensorzustands erfolgt mittels einer am Sensorgehäuse ange­brachten mehrfarbigen LED. Diese Diagnose-LED informiert über den Zustand des Positionssignals sowie über weitere Betriebszustände. Somit lässt sich der aktuelle Zustand auf einen Blick erfassen, ohne komplizierte Diagnoseverfahren oder ­zusätzliche Elektronik. Zudem lassen sich die magnetostriktiven Sensoren präzise auf den gewünschten Messbereich pro­grammieren. Wird ein anderer Messbereich benötigt, ist dieser ohne zusätzliche Tools anpassbar. 

Mobilhydraulische Anwendungen

Der 'Embedded LTE' ist für den Einsatz in der Mobilhydraulik optimiert. Er löst intern mit 16 Bit auf und bietet neben den analogen Ausgangssignalen von 0 bis 10 V und 4 bis 20 mA drei Signalbereiche für mobile Arbeitsmaschinen.

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Aufgrund ihrer ausladenden Sensor-Einheit eignen sich die in der Industrie genutzten Linearwegsensoren für den Mobilhydraulik-Markt nicht. Hier sind platzsparende Sensoren gefragt. Für diese Anforderungen bietet Turck den robusten ‚LTE‘-Linearwegsensor. Neben der Bauform entsprechen auch seine Standards den Anforderungen der Mobile-Equipment-Branche. Dank der Integration in den Hydraulikzylinder ist der Sensor in extremen Umgebungssituationen geschützt und somit unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Er widersteht Schocks bis 100 g und Vibrationen bis 30 g, wie sie bei Agrar- oder Forstmaschinen alltäglich sind; auch für Hydraulikzylinder von Baumaschinen ist er geeignet.

Autor: 
Christan Voß ist Leiter Produktmanagement Linear- und Drehwegsensoren bei Turck in Mülheim.