Wegsensoren

Hochpräzise und robuste magnetostriktive Sensoren

Dank einer veränderten Anordnung der Empfängerspule (u.r.) blenden Hyperwave Sensoren den longitudinalen Wellenanteil mechanisch aus. Nur der gewünschte torsionale Anteil geht in die Messung ein

    

Gefran, Lösungs- und Komponentenanbieter für die Bereiche Automatisierung, Antriebstechnik und Sensorik, überzeugt mit einem umfassenden, zeitgemäßen Produktprogramm. Passend zum 30. Jubiläum der Gefran Deutschland GmbH brachte das Unternehmen in diesem Jahr eine neue Produktreihe auf den Markt: die hochpräzisen und robusten magnetostriktiven Wegaufnehmer der Hyperwave-Serie.

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

Das Gefran-Portfolio umfasst füllmedienfreie und füllmedienhaltige Sensoren. Der Anteil an Sensoren mit Füllmedium beträgt rund 85 Prozent. 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 (für Temperaturen bis 538 °C), Öl (bis 315 °C) oder Quecksilber (bis 400 °C). Allerdings löste in jüngster Zeit die RoHS-Verordnung (EU-Richtlinie 2011/65/EU zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten) einen Trend hin zu füllmedienfreien Sensoren aus. Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist der Impact von Gefran. Sein Messelement ist ein Mikro-Elektro-Mechanisches-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.

    

Die füllmedienfreien Massedrucksensoren mit IO-Link und Überdruckabschaltung nach PL c bzw. PL d gibt es in verschiedenen Bauformen

   

Neu: Sensoren mit IO-Link

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

Speziell für die Anforderungen von Industrie 4.0 stattete Gefran daher seine neuesten Sensoren, Leistungssteller und Regler mit dem Kommunikationsstandard IO-Link und RTE/ProfiNET für den ehternetbasierten Datenaustausch in Echtzeit aus – 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.

   

Massedrucksensoren von Gefran erfassen den Schmelzedruck in Extrudern an verschiedenen Stellen

     

Potentiometrische und magnetostriktive Wegaufnehmer

Seit rund 50 Jahren entwickelt und fertigt Gefran Wegaufnehmer zur Erfassung von Position und Weg verfahrender Maschinenteile, die auf der potentiometrischen und seit 20 Jahren auch auf der magnetostriktiven Technologie basieren.

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 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 unendlich – bei gleichbleibend hoher Genauigkeit bis 0,01%. 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 bei Anlagenstart. Aufgrund dieser zahlreichen Vorteile lösen magnetostriktive Sensoren nach und nach die Potentiometer ab.

    

   

Innovative magnetostriktive Wegaufnehmer von Gefran: Besondere EMV-Störfestigkeit, großer Arbeitstemperaturbereich, hohe Genauigkeit und Linearität dank Hyperwave-Technologie

     

Hyperwave – die neue Technologie

Gefran stattete die jüngste Generation der magnetostriktiven Wegaufnehmer mit Hyperwave-Technologie aus. 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 Schock 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 breites Temperaturspektrum von -30° C bis + 90 °C und beweisen auch bei Extremwerten besondere Zuverlässigkeit.

Hohe Vibrationstoleranz, Wartungsfreiheit und lange Lebensdauer

Im Detail zeichnen sich die magnetostriktiven Wegaufnehmer mit Hyperwave-Technologie 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.

    

Schmelzdrucksensoren mit IO-Link und PL d-Zulassung dienen nicht nur der Maschinensicherheit, sondern sind auch unverzichtbare elektronische Bausteine für eine erfolgreiche Maschine-zu-Maschine- bzw. Mensch-zu-Maschine-Kommunikation

   

Profil oder Stab in jeweils drei Varianten – die Anwendung entscheidet

Gefran bietet die berührungslosen Wegaufnehmer wahlweise als Profil- oder 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 AISI 316L werden Hyperwave-Wegaufnehmer vor allem in Hydraulikzylindern mit Betriebsdrücken bis 350 bar eingesetzt, um die Position des Kolbens in Echtzeit zu erfassen. Sie können dank einer magnetischen Schwimmerausführung auch als Füllstandsensor verwendet werden. Beide Bauformen sind mit Analogsignal oder digitalen Schnittstellen (z.B. 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 höchster Präzision und maximaler Wiederholgenauigkeit.

Beide Hyperwave-Bauarten sind in drei verschiedenen Varianten erhältlich: General mit einem Messbereich bis zu 1500 mm, Plus bis zu 2500 mm und Advanced bis zu 4000 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 mit einer ProfiNET-Schnittstelle erweitert, die speziell auf die Anforderungen der Metallindustrie ausgelegt ist.

Ausblick

Um die Anforderungen von Industrie 4.0 zu erfüllen, stattet Gefran seine Produkte kontinuierlich mit der Schnittstelle IO-Link aus. Dazu zählen auch die Wegaufnehmer der Hyperwave-Serie. Die neue Serie erfüllt die stetig steigenden Anforderungen hinsichtlich Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie insbesondere EMV-Störfestigkeit.