Drei separate Sensoren in einem Hydraulikzylinder integriert

Redundante Erfassung der Zylinderposition ohne großen Platzbedarf

Aus Gründen der Sicherheit oder einer erhöhten Verfügbarkeit werden Steuerungskomponenten heutzutage in vielen Fällen redundant ausgeführt. Deshalb müssen auch die Sensoren zur Erfassung einer Messgröße redundant ausgeführt und installiert werden. Temposonics ist es gelungen drei einzelne magnetostriktive Positionssensoren in einen Hydraulikzylinder zu integrieren und so die Bewegung der Kolbenstange redundant zu erfassen.
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Bild: Temposonics GmbH & Co. KG

Mit Hilfe von Hydraulikzylindern werden im Stahlwasserbau zum Beispiel Schleusentore geöffnet und geschlossen. Zur Überwachung und Steuerung der Tore aus dem Leitstand muss deren Position kontinuierlich erfasst werden. Magnetostriktive Sensoren messen dabei die Kolbenbewegung eines Hydraulikzylinders. Für die Messung taucht ein starrer, druckfester Sensorstab in die Tieflochbohrung der Kolbenstange ein, während sich die Sensorelektronik am Zylinderboden außerhalb des Zylinders befindet. Über den Flansch wird der Zylinder abgedichtet, sodass keine Hydraulikflüssigkeit austritt. Der Positionsmagnet, welcher die zu erfassende Position markiert, wird am Boden der Kolbenstange montiert und bewegt sich mit ihr mit. Diese Position wird von der Sensorelektronik kontinuierlich erfasst und ausgegeben.

 Hydraulikzylinder mit drei einzelnen Positionssensoren 
zur Bewegung eines Schleusentors
Hydraulikzylinder mit drei einzelnen Positionssensoren zur Bewegung eines SchleusentorsBild: Kraeft GmbH Systemtechnik

Redundantes Messsystem

Laut der Bundesanstalt für Wasserbau sind etwa 30 Prozent der Schleusen älter als 100 Jahre. Wenn solche Bauwerke modernisiert werden sollen, kommen vielfach redundante Messsysteme zum Einsatz, um die Anforderungen entsprechend der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG zu erfüllen. Dies bedeutet, dass auch die Sensoren redundant ausgeführt werden müssen.

Dafür eignet sich beispielsweise der magnetostriktive Sensor GT3 der G-Serie von Temposonics, bei dem drei unabhängige Sensoren (Einheiten) in einem Gehäuse verbaut sind. Im Fall eines Austauschs muss jedoch der komplette Sensor ausgebaut werden. Es ist nicht möglich, nur eine der drei Einheiten innerhalb des Sensors zu ersetzen. Zudem benötigt man hinter dem Zylinder viel Platz, da der starre Sensorstab so lang ist wie der komplette Kolbenhub.

Drei separate Positionssensoren in einem Zylinder

Um den Austausch von Sensoren unter beengten Platzverhältnissen zu optimieren, hat Temposonics ein redundantes Messsystem bestehend aus drei einzelnen Positionssensoren entwickelt. Damit sich drei separate Sensoren bei relativ kleinem Platzbedarf in einen Zylinder integrieren lassen, müssen sie wie in einem Trichter zusammengeführt werden. Dies erfordert Sensoren deren Messstäbe gebogen werden können, wie bei dem Temposonics Sensor R-Serie V RFV. Die drei Messstäbe werden im Zylinder in einem gemeinsamen druckfesten Sensorrohr geführt. Dieser Aufbau weist zwei wesentliche Vorteile auf:

  • Das Sensorrohr, das in die aufgebohrte Kolbenstange des Zylinders eingeschoben wird, hat einen Außendurchmesser von nur 25mm. Somit ist eine vergleichsweise kleine Tieflochbohrung in der Kolbenstange erforderlich, um drei einzelne Sensoren zu integrieren.
  • Bei Bedarf sind die Sensoren einzeln austauschbar.

Modernisierung von zwei Main-Schleusen

 Gehäuse teilweise geöffnet mit 
Sensorträger und Sensoren
Gehäuse teilweise geöffnet mit Sensorträger und SensorenBild: Hydrosaar GmbH

Hydrosaar hat diese Variante zum Aufbau eines redundanten Messsystems in einem Hydraulikzylinder bei zwei Schleusen am Main genutzt. Dafür wurden die vorhandenen Hydraulikzylinder zur Bewegung der Schleusentore überarbeitet und mit drei einzelnen RFV-Sensoren in einem Sensorrohr ausgestattet. Bei den Bestandszylindern waren deshalb folgende Anpassungen vorzunehmen:

  • Einbringen der Tieflochbohrung in die Kolbenstange bzw. Vergrößern der vorhandenen Tieflochbohrung, da bei einer Schleuse bereits einfach-ausgeführte Positionssensoren im Zylinder verwendet wurden
  • Gestalten der Aufnahme des Positionsmagneten
  • Anpassen des Zylinderbodens zur Befestigung des Sensorrohrs

Zur Führung der drei RFV-Sensoren im Zylinder kommt das Sensorrohr H3 von Temposonics zum Einsatz. Der von Hydrosaar entwickelte Halter dient zur Aufnahme und Zusammenführung der drei RFV-Sensoren. Dieser Halter ermöglicht ein einfaches Einführen der Messstäbe und sorgt für einen sicheren Halt bei Schwingung des Zylinders.

Das Gehäuse schützt die drei Sensorelektroniken außerhalb des Zylinders bei Überflutung vor Treibgut.

Um die Kabel an die Sensoren anzuschließen, muss lediglich der Deckel demontiert werden. Der untere Teil des Gehäuses enthält die Zusammenführung der drei RFV-Sensoren. Beide Teile des Gehäuses sind separat oder als eine Einheit demontierbar. Da das Gehäuse weniger als 4kg wiegt, kann ein Mitarbeiter es bei der Demontage sowie der Montage mit einer Hand halten. Auch dabei sind die flexiblen Messstäbe von Vorteil: Aufgrund ihrer Biegsamkeit kann das Gehäuse mit den Sensoren seitlich weggekippt und abgenommen bzw. aufgesetzt werden. Somit benötigt man hinter dem Zylinder nur etwa 500mm Platz.

Aufgrund des modularen Gehäuses kann ein Sensor an einer Schleuse vor Ort in etwa 30 Minuten aus- und wieder eingebaut werden. Dies ist eine deutliche Zeitersparnis im Vergleich zu dem Aufwand, der erforderlich ist, wenn der Zylinder für den Austausch eines Sensors ausgebaut werden muss.

Fazit

Die Umsetzung an den Hydraulikzylindern bei zwei Schleusen am Main unterstreichen deutlich die Vorteile dieser Lösung:

  • Geringe Kosten bei der Integration in neue Zylinder sowie für die Anpassung bestehender Zylinder
  • Sensoren einzeln austauschbar
  • Geringer Platzbedarf hinter dem Zylinder zum Tausch eines Sensors
  • Tausch eines Sensors in kurzer Zeit vor Ort möglich

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