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In heißen Umgebungen wie hier um eine Stranggußanlage versagen konventionelle Techniken zur Positionsmessung. Bild: MTS Sensor Technologie
Magnetostriktive Messprinzip

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Positionssensoren für heißes Umfeld

Text: Andre Beste, MTS Sensor Technologie
Besonders hohe Umgebungstemperaturen wirken sich auf die Lebenszeit von Positionssensoren aus. Während herkömmliche Techniken hier mit zunehmenden Betriebsalter verschleißanfälliger werden, hat sich das magnetostriktive Messprinzip als das zuverlässigste Verfahren etabliert.

Damit Positionsmesstechnik lange ohne Reparaturen oder Austausch effizient funktionieren kann, muss bereits in der Planungsphase der geeignete Sensor mit Sorgfalt ausgewählt werden. Bei zahlreichen Anwendungen werden Positionssensoren hohen Drücken, Schock, Vibration und elektromagnetischen Störeinflüssen, ätzenden oder korrodierenden Substanzen, Staub, Flammen und sogar explosionsgefährdeten Bereichen ausgesetzt. Am häufigsten allerdings wirkt sich die Temperatur auf die betriebliche Langlebigkeit des Sensors aus. Im Walzwerk, auf Öl- und Gasbohrinseln, in Kraftwerken, Holzpressen, Spritzgießanlagen und thermoplastischen Verarbeitungsmaschinen beispielsweise ist ein erweiterter Temperaturbereich schon unabdingbare Voraussetzung. Und die Grenzen werden sich zukünftig zu noch höheren Temperaturen verschieben.

Methoden für extreme Temperaturen

Hohe Temperaturen ziehen nicht nur das Messelement, sondern die gesamte damit verbundene Elektronik in Mitleidenschaft. Die durchschnittliche Zeit bis zum ersten Ausfall eines Systems (MTTF, Mean Time To Failure) mit Halbleitern wird im Datenblatt bei Umgebungstemperaturen von 25 °C angegeben. Dieser Wert sinkt, je stärker sich die Komponenten im Betrieb ihrer oberen Temperaturgrenze nähern. Generell halbiert sich der MTTF-Wert pro 10 Kelvin Temperaturanstieg einer Komponente über deren optimale Temperatur hinaus. Für viele der Bauteile industrieller Sensoren gelten nominale Betriebstemperaturen bis zu 85 °C. Neben der Umgebungstemperatur, in welcher der Sensor eingesetzt wird, ist die zusätzliche Erwärmung innerhalb des Sensorgehäuses zu berücksichtigen. Hier schaffen die Sensorhersteller mit teurer Halbleitertechnik, die für einen höheren Temperaturbereich geeignet ist, Abhilfe.

Um das Ausfallrisiko zu verringern, wird der Sensor inklusive Elektronik häufig in kühlbare, hermetisch gekapselte Gehäuse oder Zylinder eingebaut. Alternativ hat sich eine weitere Methode – beispielsweise für anspruchsvolle Walzwerke bewährt: Die Elektronik des Messsystems wird getrennt und weit genug von den hohen Temperaturen entfernt gelagert.

Ausgereifte Sensortechnologie ist gefragt

Für die Positionsmessung stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Angesichts steigender Anforderungen an die Sensoren erweisen sich jedoch konventionelle Techniken in wachsendem Umfang als überholt. Elektromechanische Sensoren und Potentiometer sind relativ kurzlebig, da sie mit zunehmendem Betriebsalter immer verschleißanfälliger werden. Optische Sensoren erfordern ständige Reinigung von Staub und Verschmutzung. Daher hat sich das Magnetostriktionsprinzip durchgesetzt, ein äußerst präzises, berührungsloses Positionsmessverfahren. Dieses Prinzip ist keineswegs neu: Die magnetostriktiven Eigenschaften bestimmter Materialien wurden bereits vor nahezu zwei Jahrhunderten von dem Wissenschaftler James Prescott Joule erforscht. Innovationen haben dafür gesorgt, dass dieses Messprinzip heute als das zuverlässigste Verfahren der präzisen Positionsmesstechnik gilt.

Magnetostriktive Sensoren sind überlegen

Dank des Magnetostriktionsprinzips ist die patentierte Temposonics-Positionssensortechnologie für anspruchsvollste industrielle Anwendungen geeignet. Ein Temposonics-Positionssensorsystem besteht aus einem ferromagnetischen Wellenleiter, einem positionsbestimmenden beweglichen Permanentmagneten, einem Dehnungsimpulswandler und unterstützender Elektronik. Der bewegliche Magnet ist fest mit dem Positionsmessobjekt verbunden. Er erzeugt an der Stelle, an der er sich auf dem Wellenleiter befindet, ein in Längsrichtung verlaufendes Magnetfeld. Das Sensorelement sendet einen kurzen Stromimpuls durch den Wellenleiter, wodurch an diesem ein radiales Magnetfeld entsteht. Der Stromimpuls erzeugt ein Magnetfeld, welches mit dem Magnetfeld des externen Permanentmagneten interagiert.

Aufgrund des Magnetostriktionsprinzips unterliegt der Wellenleiter einer elastischen Verformung. Dadurch wird eine am Wellenleiter entlang verlaufende Ultraschallwelle erzeugt, die an dessen Ende in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Da die Ultraschallwelle mit konstanter Geschwindigkeit am Wellenleiter entlang läuft, ermöglicht sie die Messung der genauen Position des beweglichen Magneten, der sie erzeugt hat, anhand der Korrelation zwischen der Magnetposition und dem Zeitpunkt der Erzeugung des Stromimpulses und demjenigen des Eintreffens der Ultraschalltorsionswelle. Da das Ausgangssignal des Sensors, der nach diesem Messprinzip arbeitet, kein relativer Wert ist, sondern eine absolute Position darstellt, entfällt die Referenzierung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Anordnung die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Positionen mit einem einzigen Sensor ermöglicht, wodurch die Anzahl der Sensoren reduziert werden kann.

Sensoren für den Hochtemperaturbereich

Die ET-Positionssensoren sind Teil des MTS-Sensors-Produktportfolios. Sie haben sehr kleine Gehäuse und eignen sich für den Einsatz bei Temperaturen bis zu 105 °C. Für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen steht ein Atex-Zertifikat zur Verfügung. Darüber ist der Sensor optional mit einem Gehäuse aus korrosionsbeständigen Edelstahl 1.4404 (AISI 316L) erhältlich. Auch das robuste Modell GTE wurde für den Einsatz im Hochtemperaturbereich entwickelt. Der redundante Sensor hat zwei voneinander unabhängige Messsysteme in einem Gehäuse: Jedes Messsystem verfügt über einen eigenen Kanal mit Sensorelement, Stromversorgungs- und Auswertungselektronik sowie Ausgangssignal. Falls erforderlich, kann auf beide Ausgangssignale zugegriffen werden.

Das Sensormodell RD4 hat eine abgesetzte Elektronik: Als unterstützende Elektronikkomponente wird empfindliche Halbleitertechnologie mit ausgereiften Ausgangssignalen eingesetzt. Die Elektronik wird fern der hohen Temperaturen montiert, während der eigentliche Sensor bis 100 °C temperaturbeständig ist. Der stabförmige GB-Sensor wurde für den Einbau in Hydraulikzylinder konzipiert, die zum Beispiel bei der Energieerzeugung eingesetzt werden. Der Sensor bietet einen Betriebstemperaturbereich von bis zu 100 °C. Die unterstützende Elektronik ist in ein flaches, kompaktes Gehäuse integriert, das den Einbau des Sensors selbst unter beengten räumlichen Verhältnissen erlaubt.

Verschleißfrei und berührungslos

Innovationen auf dem Gebiet der Positionsmesstechnologie ist es zu verdanken, dass Präzisionsmessung heute verschleißfrei und berührungslos möglich ist. Das magnetostriktive Messverfahren wurde für ein breit gefächertes Spektrum anspruchsvollster messtechnischer Aufgabenstellungen in der modernen Industrie optimiert. Basierend auf der wegweisenden Temposonics-Technologie von MTS Sensors bieten die magnetostriktiven Sensoren der nächsten Generation ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit für Messsysteme im Hochtemperaturbereich mit kompromissloser Leistung.

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