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Messen & Erkennen

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Damit der Bagger weiter baggert

Text: Bernd Jödden, A.B. Jödden
Bei herkömmlichen Messsystemen können Umwelteinflüsse wie Schock, starke Vibrationen oder Temperaturdifferenzen das Messergebnis beeinträchtigen oder gar das System zerstören. Gerade in der mobilen Automation ist das ein Problem. Mit moderner MEMS-Technik und induktiven Wegaufnehmern wird jedoch eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit erzielt.

Bei Krane, Baggern oder Radladern ist die Nivellierung von Plattformen eine typische Anwendung für Neigungssensoren. Wegmessungen werden an Federungen, Stützen oder an Achsen benötigt. Zum einen darf aus Sicherheitsgründen eine bestimmte Neigung der Karosserie nicht überschritten werden, müssen Positionen der Ausleger oder die Schieflage von Schaufeln sicher erfasst werden. Eine weitere bewährte Anwendung ist die Neigungswinkelmessung am Bagger, bei der immer das gleiche Profil ausgehoben werden soll, unabhängig von der Neigung des Gerätes. An verschiedenen Positionen wird der Neigungswinkel gemessen und dem Regelkreis als Istwert zugeführt. Mit diesen Daten wird die Neigung des Baggers ohne Fehler und Drift trotz der rauen Bedingungen auf dem Bau korrigiert.

Grundsätzlich wird die Pendel-Methode angewendet. Das heißt, eine Prüfmasse wird durch die Neigung bewegt beziehungsweise durch die Erdbeschleunigung geneigt. Die Prüfmasse ist zwischen zwei Kondensatorplatten angeordnet und kapazitiv abgegriffen. Diese Methode eignet sich besonders, wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden und die Sensoren auch bei externen Störeinflüssen wie Temperatur, Vibration und Schock eingesetzt werden sollen.

Mit den gleichen Sensoren können Neigung, Beschleunigung und Vibration gemessen werden. Bei der Neigungsmessung ist die Prüfmasse senkrecht, also gegen den Erdmittelpunkt gerichtet. Neigt sich der Sensor, bewegt sich die Prüfmasse durch die Erdgravitation zum Erdmittelpunkt. Das Verhalten des Ausgangssignals gegenüber dem Winkel ist sinusförmig, damit hat die Auflösung bei 0 ° ihr Maximum. Bei Vibration und Beschleunigung ist die Montage grundsätzlich vertikal, also im 90°-Winkel, zur Prüfmasse. Wirken Neigung und Beschleunigung gleichzeitig und aus der gleichen Messrichtung, kann man die Physik allenfalls mit einem zweiten Sensor überlisten, der in einer anderen Position angeordnet wird.

Vorteile der MEMS-Technik

Bei der 3D-MEMS-Technik wird die Prüfmasse aus einem Stück hochreinem Silizium herausgeätzt. Dieses Teil wird hermetisch dicht und isoliert zwischen zwei ebenfalls hochreinen Silizium-Platten eingeschlossen, die gleichzeitig die Kondensatorplatten bilden. Dieser hermetische Einschluss verleiht einen hohen Schutz gegenüber Feuchtigkeit. Durch das Auffüllen von Gas und dessen Druck wird das Dämpfungsverhalten der Prüfmasse bestimmt und störende Vibrationen vermindert. Das einkristalline Material verleiht dem Messbalken eine enorme Schockfestigkeit von über 70 000 g und gleichzeitig eine sehr hohe Reproduzierbarkeit. Bisher ist keine durch das Messelement verursachte Langzeitdrift festgestellt worden. Fehler wie Temperatur­hysteresen bilden sich wieder zurück. Weitere große Vorteile der dreidimensionalen MEMS-Technik sind eine Unempfindlichkeit gegenüber Verformungen, ein wesentlich größere Nutzsignal und dadurch bedingt größere Auflösungen beziehungsweise Genauigkeiten. Die symmetrische Bauform vermindert den Temperatur­koeffizient beträchtlich.

Das aus hochreinem Silizium gefertigte Sensor-Element ist nur 1,4 x 1,4 x 2 mm groß und aus drei verschiedenen Wafern ausgesägt. Diese drei Elemente werden in einem speziellen Verfahren mit den Glaszwischenschichten verschweißt und sind hermetisch dicht. Um störende Einflüsse von Vibration bei der Neigungswinkelmessung zu verhindern sind elektronisch ge-dämpfte und gasgedämpfte Sensoren bis 6 Hz erhältlich. Die 3D-MEMS Sensoren erreichen bei einer Auflösung von bis 0,0004 ° oder 7 Micro-g eine Reproduzierbarkeit besser als 0,01 ° und eine Langzeitstabilität von 0,014 ° über 500 Stunden.

Ein Sensor für mehrere Messwege

Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers wird mit einem 16Bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die auf der Messmaschine ermittelten Abweichungen von der idealen Kennlinie werden in einem EEPROM gespeichert und zur Korrektur der Messwerte eingesetzt. Die digitale Information wird mit einem D/A-Wandler in normierte analoge Ausgangssignale 0 (4) – 20 mA oder 0 – 5 (10) V gewandelt. Die Wegaufnehmer können mit Betriebsspannungen zwischen 9 und 32 VDC versorgt werden.

Durch diese Technik sind unterschiedliche Messwege mit nur einem Wegaufnehmer durch den Anwender programmierbar. Nach der Montage des Wegaufnehmers und mechanischer Nullstellung, wird der Kontakte ANF etwa 3 sek mit der Betriebsspannung verbunden. Damit ist der Anfangswert des Wegaufnehmers programmiert. Analog dazu wird der Endwert mit dem Kontakt END programmiert. Werden die Wegaufnehmer, zum Beispiel als Rückführgeber, parallel zu Hydraulikzylindern angebaut, ist damit eine sehr einfache, schnelle und kostengünstige Inbetriebnahme möglich. Die vergossene Bauweise, ermöglicht einen Einsatz bei Schockbelastungen bis 250 g SRS (20 – 2000 Hz) und Vibrationsbelastungen bis 20 g rms (50 g Spitze).

Der zulässige Betriebsspannungsbereich zwischen 9 und 32 VDC, die hohe Genauigkeit von 0,1 Prozent und die verschiedenen Ausgangssignale ermöglichen den Einsatz in vielen Bereichen. Zusätzliche mechanische Anbauten, wie Kugelgelenke an Stößel und Gehäuse, Schutzrohre, Tasterversionen mit Rückholfedern und Faltenbälgen sind lieferbar. Der elektrische Anschluss erfolgt wahlweise über Stecker oder wasserdicht angegossenes Kabel.

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