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dreifach!

Wie Sie mit minimalem Aufwand drei Positionssensoren

in einem Zylinder integrieren

Einsatz von redundanten Positionssensoren im Stahl

wasserbau - Temposonic GmbH

Bei der 14. SWB Tagung 2017 stellte die Verfahren von Schutzen bei Wehren inte- Temposonics GmbH & Co. KG den Einsatz griert (Abb I). Die Sensoren e rfassen von redundanten Positionssensoren im kontinuierlich die aktuelle Position der Stahlwasserbau vor verbunden mit der Kolbenstange, sodass jederzeit die Posi Frage, ob die Redundanz das geforderte tion der Schleusentore Oder der Schutze „Mehr" an Sicherheit biete und welches am Wehr im Leitstand uberwacht und Dr. Olaf Kissing „Mehr" an Aufwand dies bedeute. Das visualisiert werden konnen. ist seit 2014 als Produktmanager fur Fazit lautete, dass mit einem geringen den Bereich Industriesensoren bei der Funktionsweise von „Mehr" an Aufwand das erforderliche Temposonics GmbH & Co. KG tatig. Positionssensoren im „Mehr" an Sicherheit erfullt werden kann. Er hielt bereits einige Vortrage zum Hydraulikzylinder Was hat sich seitdem in dieser Hinsicht Einsatz magnetostriktiver Positions- getan? Gilt das damalige Fazit weiterhin Ein magnetostriktive Positionssensor wird sensoren im Stahlwasserbau, unter fur die Umsetzung? in einen Hydraulikzylinder integriert, in- anderem den Vortrag der Temposonics Magnetostriktive Positionssensoren ha- dem der Sensorstab in die aufgebohrte GmbH & Co. KG im Jahr 2017 zum ben sich in Hydraulikzylindern des Stahl- Kolbenstange eintaucht (Abb. 2). Uber Thema „lst mehr mehr? Einsatz von wasserbaus bewahrt und sind weit ver- den Flansch wird der Zylinder abgedich- redundanten Positionssensoren im breitet. Sie werden z. B. in Zylindern zur tet, sodass keine Hydraulikflussig keit aus- Stahlwasserbau". Bewegung von Schleusentoren Oder zum tritt. Der Positionsmagnet, welcher die

Abbildung 1: Hydraulikzylinder zur Bewegung eines Schleusentors

Exzellent Bauen in Deutschland Tagungsband 21. SWB Tagung

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Abbildung 2: Integration eines magnetostriktiven Positionssen- Abbildung 3: G-Serie GT3 mit drei voneinander unabhangigen sors in einen Hydraulikzylinder Positionssensoren in einem Gehause

zu erfassende Position markiert, wird am Boden der Kolben- rung befinden sich bei diesem Sensor zwei oder drei unab- stange montiert. In dem druckfesten Sensorstab befindet sich hangige Positionssensoren in einem Gehause. Ein solcher der Wellenleiter. Zur Positionsmessung wird im Sensorelektronik- Sensor mit drei voneinander getrennten Positionssensoren ist gehause ein Stromimpuls erzeugt und in den Wellenleiter ge- in Abb. 3 dargestellt. leitet. Dieser Stromimpuls interagiert mit dem Magnetfeld, das Aufgrund der redundanten Ausfuhrung ist das Sensorelektro durch den Positionsmagneten erzeugt wird. Diese Interaktion nikgehause der G-Serie GT2/GT3 um etwa 55 % breiter und erzeugt eine Torsionswelle in dem Wellenleiter. Diese Torsions- 18 % langer als bei einem einfachen Positionssensor wie der welle lauft zur Auswerteeinheit im Sensorelektronikgehause. R-Serie V RH5 der Temposonics GmbH & Co. KG. Der Sensor Die Laufzeit zwischen dem Aussenden des Stromimpulses und stab der G-Serie GT2/GT3 ist trotz drei voneinander unabhan dem Empfangen der Torsionswelle ist proportional zu dem gigen Wellenleitern mit einem AuBendurchmesser von 10 mm Abstand des Positionsmagneten von der Sensorelektronik. Somit genauso groB wie der Sensorstab eines einfachen Positions- kann anhand der Laufzeit die Position des Magneten auf dem sensors (Abb. 4). Somit kann durch den Austausch eines ein Wellenleiter ermittelt werden. Ein magnetostriktiver Positions- fachen Positionssensors durch eine G-Serie GT2/GT3 auf ein- sensor ist ein absolut messender Sensor, der sich durch eine fache Weise die Grundlage fur ein redundantes Messsystem hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auszeichnet. Zudem geschaffen werden. Es ist jedoch zu beachten, dass im Ersatz- erfullt ein solcher Sensor die Anforderungen im Stahlwasserbau fall der komplette Sensor getauscht werden muss. Der Tausch hinsichtlich Zuverlassigkeit und Robustheit gegenuber einer nur einer Elektronik des Sensors ist nicht moglich. Zudem muss rauen Umgebung. hinter dem Zylinder ausreichend Platz sein, um den Sensor mit druckfestem, starrem Sensorstab aus dem Zylinder herauszie- Redundantes Messsystem hen und den Ersatzsensor einschieben zu konnen. Wehre und Schleusen werden derzeit und in den kommenden Jahren erneuert bzw. neu gebaut, da laut Bundesanstalt fur Moglichkeit 2: Drei separate Positionssensoren in einem Wasserbau etwa 30 % der Schleusen und Wehre alter als Rohr im Zylinder 100 Jahre sind. Aufgrund des Betriebs und der Einwirkungen Eine andere Moglichkeit, ein redundantes System aufzubauen, aus der Umgebung weisen diese Bauten einen Substanzverlust nutzt drei einzelne Positionssensoren, die in einem Rohr gefuhrt auf, der eine Instandsetzung oder einen Ersatzneubau erfordert. werden. Um ein solches System bei einem relativ kleinen Platz- Bei der Uberarbeitung sowie der Erneuerung dieser Einrich- bedarf zu realisieren, werden Sensoren mit flexiblem Messstab tungen werden vielfach redundante Messsysteme eingesetzt. wie der Sensor R-Serie V RFV der Temposonics GmbH & Co. KG Diese Redundanz ist bei den Messsystemen erforderlich, um verwendet. Die Besonderheit dieses Sensors ist, dass der Mess- die Anforderungen entsprechend der Maschinenrichtlinie stab sowohl gerade als auch gebogen verlegt werden kann 2006/42/EG zu erfullen. Redundanz bedeutet bei magneto (Abb. 5). striktiven Positionssensoren, dass zwei oder drei Sensoren Nur diese Sensoren erlauben aufgrund der Biegsamkeit ihrer anstelle eines Sensors in einen Zylinder eingebaut werden. Messstabe eine Anordnung wie in Abb. 6 dargestellt. Ein Halter bzw. Sensortrager dient zur Aufnahme der drei RFV-Sensoren Moglichkeit 1: Ein dreifach-redundanter Positions- und fuhrt die flexiblen Messstabe der Sensoren zusammen. sensor im Zylinder Die drei Messstabe werden im Zylinder in einem gemeinsa- Eine Redundanz lasst sich mit dem Sensor G-Serie GT2/GT3 men Sensorrohr gefuhrt. Dieser Aufbau weist folgende Vorteile der Temposonics GmbH & Co. KG realisieren. Je nach Ausfuh- auf: 4Positionsmagnet Sensorstab

=

Abbildung 4: GroBenvergleich einer G-Serie GT2/GT3 und einer R-Serie V RH5 bei gleich groBem AuBendurchmesser des Sensorstabs Abbildung 5: R-Serie V RFV mit flexiblem Messstab

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Das Sensorrohr, das in die aufgebohrte Kolbenstage des Zylinders eingeschoben wird, hat einen AuRendurchmesser von nur 25 mm. Somit ist eine vergleichsweise kleine Tief- lochbohrung in der Kolbenstange erforderlich, urn drei von- einander unabhangige Sensoren zu integrieren.
Aufgrund des geringen AuGendurchmessers des Sensorrohrs kann ein Standardmagnet zur Positionsmessung verwendet werden.
Falls erforderlich, konnen die Sensoren einzeln ohne gegen- seitige Beeinflussung getauscht werden.
Da der Flansch und das Sensorrohr beim Austausch eines Sensors im Zylinder verbleiben, bleibt der Hydraulikkreislauf des Zylinders geschlossen. Abbildung 7: Zweiteiliges Gehause zum Schutz sowie zur Auf
Der Sensor R-Serie V RFV benotigt beim Ein- und Ausbau nahme und Zusammenfuhrung der drei RFV-Sensoren durch die Biegsamkeit seines flexiblen Messstabs nur wenig (Quelle: Hydrosaar GmbH) Platz. fuhren der Messstabe und sorgt fur einen sicheren Halt bei Umsetzung von drei Sensoren in einem Rohr Schwingung des Zylinders. Die Hydrosaar GmbH hat diese Variante zum Aufbau eines Die Sensorelektroniken der drei RFV-Sensoren sind in einem redundanten Messsystems bei zwei Projekten an einer Schleuse zweiteiligen Gehause geschutzt (Abb. 7). Der Sensortrager am Main umgesetzt. In beiden Projekten wurden die vorhan- trennt den oberen Teil vom unteren Bereich und dient zur denen Zylinder zur Bewegung der Schleusentore uberarbeitet Aufnahme der Sensoren. Um die Kabel an die Sensoren an- und mit drei unabhangigen RFV-Sensoren in einem Sensorrohr zuschlieBen, muss lediglich der Deckel demontiert werden. In ausgestattet. beiden Projekten treten die Kabel seitlich aus dem Gehause aus. Aufgrund des modularen Aufbaus des Gehauses konnen Projekt 1 auch Kabelabgange in axialer Richtung oder abweichende Ge- Beim ersten Projekt wurden die Bestandszylinder mit einem Hub hauselangen einfach realisiert werden. von jeweils 2200 mm angepasst. Diese vier Zylinder waren Der untere Teil des Gehauses enthalt die Zusammenfuhrung mit Endlagenschaltern ausgestattet, sodass nur erfasst werden der drei RFV-Sensoren. Auch dieser Teil kann entfernt werden, konnte, ob die Tore komplett geoffnet Oder komplett geschlos sodass der Zylinderboden und der Flansch des H3-Rohrs zu- sen sind. Bei diesen Zylindern wurden folgende Anpassungen ganglich sind. Ein wichtiger Aspekt des Gehauses ist neben vorgenommen, um die drei RFV-Sensoren zu integrieren: der Funktion auch die Montagefreundlichkeit. So konnen bei-
Einbringen der Tieflochbohrung in die Kolbenstange de Teile des Gehauses entweder separat Oder als eine Einheit
Gestalten der Aufnahme des Positionsmagneten demontiert werden. Zudem wiegt das Gehause ohne die Weg-
Anpassen des Zylinderbodens zur Befestigung des Sensor messsensoren weniger als 4 kg. Somit kann ein Mitarbeiter rohrs das Gehause mit einer Hand halten. Zudem baute die Hydrosaar GmbH einen Zylinder als Ersatz Aufgrund der flexiblen Messstabe kann das Gehause mit den neu. Zur Fiihrung der drei RFV-Sensoren im Zylinder wurde Sensoren bei der Demontage seitlich weggekippt und abge- das Sensorrohr H3 derTemposonics GmbH & Co. KG verwendet. nommen werden, sodass nur wenig Platz benotigt wird. Das Dieses Sensorrohr ist wie der Sensorstab eines einfachen mag- Gehause und der Zylinder konnen ohne Beeintrachtigung der netostriktiven Positionssensors fur einen Druck von 350 bar Funktion uberflutet werden. In Abb. 8 und Abb. 9 ist der neu ausgelegt. Der Halter zur Aufnahme und Zusammenfuhrung gebaute Ersatzzylinder mit dem Gehause und den drei RFV- der drei RFV-Sensoren wurde von der Hydrosaar GmbH ent- Sensoren abgebildet. wickelt und realisiert. Dieser Halter bietet den flexiblen Mess- Projekt 2 staben uber die gesamte Lange bis zur Anbindung an das Sensorrohr eine Fuhrung. Dies ermoglicht ein einfaches Ein- Beim zweiten Projekt wurden sechs Bestandszylindern sowie ein Ersatzzylinder mit einem Hub von jeweils 2650 mm ange passt. Diese Zylinder waren mit einfachen magnetostriktiven Positionsmagnet Sensorrohr mit Flansch zur Positionssensoren ausgestattet. Die VergroBerung der vorhan- mit Magnethalter von drei RFV-Sensoren denen Tieflochbohrung mit einem Durchmesser von 13 mm Zusammenfuhrung der drei RFV-Sensoren auf 32 mm war mechanisch problemlos moglich. Wie beim ersten Projekt musste der Zylinderboden angepasst werden. Das Gehause inklusive Halter sowie das Sensorrohr wurden wie bei Projekt 1 ausgefuhrt. Auch bei diesem Projekt wurde ein Zylinder komplett neu gebaut. Die Hydrosaar GmbH testete die neugebauten Zylinder aus- fuhrlich (Abb. 10). Die Untersuchungen auf dem Teststand RFV-Sensoren Sensortrager (der dritte Sensor bestatigten, dass der Austausch der Sensoren sowohl unab- (Halter zur Aufnahme der ist verdeckt) hangig voneinander als auch in einer kurzen Zeit moglich drei RFV-Sensoren) ist. So werden fur die Demontage des Deckels, das Herauszie- Abbildung 6: Ausschnitt aus der Zeichnung zur Integration von hen eines Sensors, das Hineinschieben des Ersatzsensors, drei RFV-Sensoren mit einem Sensorrohr im Zylinder die Anpassung der Setzpunkte des Ersatzsensors sowie die (Quelle: Hydrosaar GmbH) Montage des Deckels weniger als 30 Minuten benotigt.

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Abbildung 10: Zylinder mit drei RFV-Sensoren in einem Rohr auf dem Teststand (Quelle: Hydrosaar GmbH)

Neben den beiden beschriebenen Projekten wird derzeit ein drittes Projekt an einer weiteren Schleuse am Main umgesetzt. Dabei werden die vorhandenen Bestandszylinder, in denen Abbildung 8: Gehause mit Sensortrager und Sensoren Endlagenschalter verbaut waren, in der beschriebenen Weise (Quelle: Hydrosaar GmbH) mit drei RFV-Sensoren ausgestattet. Der Einbau der Zylinder in der Schleuse ist fur das erste Halbjahr 2024 geplant.

Fazit Die Umsetzung eines redundantes Messsystem mit drei unab- hangigen Positionssensoren in einem Sensorrohr zeigt deutlich die Vorteile dieses Aufbaus: Zum einen kann ein Austausch der Sensoren - falls erforderlich - auf engem Raum und in kurzer Zeit durchgefuhrt werden. Zum anderen ist dieser Auf- bau zur Anpassung von Hydraulikzylindern, die mit Endlagen- schaltern ausgestattet sind, als auch von Zylindern, bei denen ein einfacher magnetostriktiver Positionssensor verbaut ist, geeignet. In beiden Fallen bietet ein uberschaubares „Mehr“ an Aufwand ein deutliches „Mehr" an Vorteilen.

Abbildung 9: Gehause komplett geschlossen

(Quelle: Hydrosaar GmbH)

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