Klein, effizient und druckfest

Spezial Miniatur

Sensorik – Sehr klein müssen Sensoren in Anwendungen der Hydraulik heute sein und dabei aber sowohl Drücke von 1.000 bar als auch ein Hochvakuum mühelos ertragen. Ein bekannter Schweizer Hersteller hat eine Lösung gefunden.

05. Dezember 2012

Wie in vielen Bereichen der Technik geht auch bei Hydraulikanwendungen der Trend hin zur Miniaturisierung der Komponenten. Das spart zum einen Materialkosten und erschließt zum anderen völlig neue Einsatzbereiche. Neben immer kleineren Abmessungen ist vor allem bei hydraulischen Aktoren eine immer bessere Dynamik gefragt. Das bedeutet aber eine höhere Energiedichte für das Antriebsmedium, der Arbeitsdruck steigt an, gerade bei neuen Anlagen. Die höhere Belastung durch den steigenden Druck und die Gefahr von folgenschweren Kolbencrashs erfordern hochdruckresistente und dauerhaltbare Sensoren.

Eine neue Miniatursensorbaureihe des Sensorikspezialisten Contrinex, bei der eine robuste Auslegung im Vordergrund steht, bietet widerstandsfähige Näherungsschalter in den Größen M5 und M8 bei einem und 1,5 Millimetern Schaltabstand. Bei der Entwicklung wollte das Schweizer Unternehmen den Ansprüchen der modernen Hydraulikentwicklung Rechnung tragen.

»Wir mussten die hohen mechanischen Belastungen durch die auch in Zukunft steigenden Arbeitsdrücke sicher und dauerhaft auffangen«, erklärt Felix Rug, International Product Manager bei Contrinex, die Beweggründe für die Entwicklung. »Nur so lässt sich eine lange Lebensdauer bei kleinem Sensordurchmesser und damit wenig schützender Wandstärke gewährleisten.«

Das richtige Messverfahren

Da in der Hydraulik metallische Werkstoffe für Kolben und Kolbenstangen das Mittel der Wahl sind, bietet sich für eine sichere und berührungsfreie Detektion das induktive Messverfahren besonders an. Die Schwierigkeit dieses Messverfahrens ist, dass jegliche metallische »Wand« das Messsignal dämpft und so den möglichen Schaltabstand beeinflusst. Dies lässt sich zwar über ausgeklügelte Auswertverfahren minimieren, jedoch nie vollständig kompensieren.

Gerade bei sehr kleinen Sensoren mit naturgemäß geringem Induktionsfeld macht sich das negativ bemerkbar. Kleine Sensoren sind aber essentiell für eine weitere Miniaturisierung der Hydraulik, die immer noch im Trend liegt. Neben einer speziell für den beschränkten Platz in M5- und M8-Sensoren entwickelten Messelektronik musste Contrinex daher eine Abdichtungslösung finden, die ohne allzu große Eigendämpfung absolut sicher die Elektronik gegen das Hydraulikmedium abdichtet.

Felix Rug: »Da es notwendig ist, für einen Sensortausch immer auch den Systemdruck abzulassen und teilweise sogar das Medium, sind Auswechselaktionen zeitaufwendig und damit kostspielig. Dauerhaft dichte Sensoren wie unsere, die druckwechselresistent ausgelegt sind, sparen daher deutlich bei Wartungs- und Betriebskosten.«

Hohe Drücke aushalten

Bei Hydraulikdrücken von 500 bar können durch plötzliches Schließen eines Ventils unter Umständen Druckstöße bis zu 1.000 bar auftreten. Dies kann man zwar konstruktiv weitgehend minimieren, jedoch sind gerade bei Störungen solche Kurzzeitdruckspitzen nie auszuschließen. Ein praxistauglicher Sensor muss daher bis 1.000 bar Spitzendruck ohne Ausfall vertragen. Bei einem Sensor mit fünf Millimetern Durchmesser liegen an der vorderen Fläche von 19 Quadratmillimetern bei 1.000 bar rund 1.900 Newton an, das entspricht einer Kraft von 190 Kilogramm.

Es gilt, diese immense Kraft stirnseitig sicher abzufangen, sie auf die Wand des Sensors zu übertragen und von dort auf den Hydraulikzylinder.

Bisherige Lösungen verwenden Kunststoff-Dichtpfropfen als Einsatz, die in eine metallische Hülse eingeklebt werden. Hier ist die Dämpfung zwar minimal, die Dauerhaltbarkeit gerade bei Druckwechselbeanspruchung aber eher gering, da der Kunststoff und der Kleber sich bei hohem Druck elastisch verformen. Außerdem verspröden manche Hydraulikflüssigkeiten beziehungsweise deren Additive den Kunststoff oder lösen ihn an.

Als wirklich dauerhafter Abdichtwerkstoff kommt daher nur ein chemisch inertes Material wie Keramik in Betracht. Dies verhält sich auch unter hohen Drücken quasi starr, verformt sich nur minimal und hat keinen dämpfenden Einfluss auf das Signal. Die Verbindung zwischen duktiler metallischer Sensorhülse und sprödfester Keramik ist schwierig.

»Wir fanden aber auch hier einen erfolgreichen Weg«, erzählt Felix Rug, »der sowohl eine Serienfertigung erlaubt wie auch die reproduzierbare Langzeitstabilität der Verbindung garantiert. Klebstoffe oder Löten kamen nicht in Betracht.« Die Wahl der Contrinex-Ingenieure fiel schließlich auf eine rein kraftschlüssige Verbindung durch Einschrumpfen des Keramikplättchens in die Metallhülse.

Die geringe Wandstärke bei kleinen Sensoren ist dabei eine besondere Herausforderung, die bisherige Standardwerkstoffe für hochdruckfeste Sensoren wie V4A nicht erfüllen. Ein spezieller hochfester Edelstahl liefert die notwendige Vorspannung beim Schrumpfen, um die Keramik sicher festzulegen. Eine galvanisch aufgetragene, weiche Kupfer-Zwischenschicht dient als metallische »Dichtung«, um den Fügespalt zwischen Edelstahl und Keramik gegen chemische Einflüsse und Druck zu sichern. »Das Ergebnis ist eine langzeitstabile Sensorabdichtung, die gegenüber allen bisher verwendeten Hydraulikmedien resistent ist«, berichtet der Produktmanager zufrieden.

Die mechanische Auslegung für Dauerdrücke bis 500 bar bei Druckspitzen bis zu 1.000 bar lässt den Einsatz in Hydrauliksystemen laut Contrinex problemlos zu. »Um diese Spitzendruckfestigkeit zu garantieren, testen wir jeden Sensor mit 100 Druckzyklen von je 1.000 bar«, sagt Felix Rug. »Metallische Dichtungen eignen sich auch für Hochvakuum, da kein Gas diffundieren kann. Die neuen Kleinsensoren sind daher auch für anspruchsvolle Hochvakuumanwendungen geeignet.«

Das Modell DW-AD-503-P5 mit einem Schaltabstand von einem Millimeter ist auf über 1 Million Druckzyklen ausgelegt, der Einsatzdruck darf hier zwischen 10-8 Torr und 1.000 bar betragen. Der DW-AD-503-P8 Sensor weist die gleichen Werte auf, kann aber bis zu einem Schaltabstand von 1,5 Millimetern sicher detektieren. Dank des patentierten Condist-Verfahrens verfügen diese Sensoren über eine sehr hohe Temperaturstabilität und einen erweiterten Temperaturbereich bis 100 Grad Celsius. Unterschiedlich konfektionierte Anschlusskabel stehen auf Anfrage zur Verfügung.

Auf einen Blick

Contrinex

-International tätiger Sensorhersteller mit Stammsitz in der Schweiz.

-Das Unternehmen passt seine induktiven und photoelektrischen Sensoren sowie die RFID- und Sicherheitssysteme ständig an die wachsenden Bedürfnisse der Fabrikautomation an.

-Breite Produktpalette dank 40-jähriger Erfahrung und moderner Fertigungsmethoden.

-Spezialprodukte für Applikationen bei extremen Umweltbedingungen oder beengtem Platz.

-Gleichzeitig fließt das Know-how auch in Standardprodukte ein, die laut Hersteller weit über den Marktstandards liegen und zuverlässig sowie einfach zu handhaben sind.

Erschienen in Ausgabe: 09/2012