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Neigungssensoren – In seinem Inertialmesssystem F99-Fusion bringt Hersteller Pepperl + Fuchs für dynamische Anwendungen Beschleunigungssensor und Gyroskop in einem Gerät unter.

20. September 2017

Neigungs- und Beschleunigungssensoren sind in der Lage, sehr exakt die Neigungswinkel und Beschleunigungen von Objekten zu messen. »Sie kommen in vielen statischen oder relativ statischen Applikationen zum Einsatz«, sagt Stefan Horvatic, Produktmanager bei Sensorspezialist Pepperl + Fuchs.

Allerdings stoßen Neigungssensoren physikalisch an ihre Grenzen, je dynamischer die Bewegung von Geräten, Maschinen, Fahrzeugen oder Ladungsgütern wird, für deren Nivellierung sie zuständig sind. Für Messfehler sorgen schnelles Beschleunigen oder Abbremsen, Schock- oder Vibrationsbelastungen beim Überfahren von Bodenunebenheiten oder Fliehkräfte bei ruckartigen Richtungsänderungen und schnellen Kurvenfahrten. »In unkritischen Applikationen sind solche Messfehler tolerierbar«, erklärt Horvatic. Mit unkritisch meint er vor allem solche Einsatzbereiche, in denen die Sicherheit von bedienenden oder nutzenden Personen nicht gefährdet ist. »Es gibt allerdings unzählige Anwendungen mit konventionellen Neigungssensoren, in denen eben aus Sicherheitsgründen beispielsweise mit intelligenten Assistenzsystemen die Fahrgeschwindigkeiten mehr als möglicherweise notwendig reduziert werden oder Lenkeinschlagsbegrenzungen früher greifen«, ergänzt Horvatic. Hier besteht erhebliches Optimierungspotenzial, um Prozesse effizienter, aber gleichzeitig auch sicherer zu machen. Betrachtet man die Physik konventioneller Neigungssensoren wird schnell deutlich, warum es in dynamischen Einsätzen zu Messfehlern kommt.

Neigungssensoren im Einsatz

Überall wo es darum geht, die Neigungswinkel von Objekten zu überwachen, Fahrzeuge oder Anbaugeräte, Ausleger oder bewegliche Ladeflächen in einem frei wählbaren Winkelbereich zwischen null und 360 Grad zu nivellieren, sind Neigungssensoren wie die der F99-Baureihe von Pepperl + Fuchs angebracht. Sie sollen auch bei rauen Außenbedingungen präzise Beschleunigungsmessungen in Bezug zur Gravitation garantieren.

Die Messung der Neigung erfolgt meist mit MEMS-Sensoren, in denen Messplatten mit Federn verankert sind. Diese können aber nicht unterscheiden, ob nun die Erdanziehungskräfte zu einer Veränderung der Plattenabstände führen oder ob diese aus extern einwirkenden Kräften resultieren. »Messfehler, die aus Trägheits- oder Fliehkräften resultieren, sprich externe Beschleunigungen, haben im schlimmsten Fall Personen- oder Sachschäden, ganz sicher aber Effizienzeinbußen zur Folge«, mahnt Horvatic. »Der Weg, die erforderliche Sicherheit herzustellen, führt über intelligente Assistenzsysteme, die unter Berücksichtigung etwaiger Messfehler eine Begrenzung im System frühzeitig herbeiführen.«

Ein weiteres Anwendungsfeld sind die sogenannten On-Board-Wiegesysteme für moderne Gabelstapler, Radlader oder Hafenkräne. Dieses ist zwar nicht sicherheitsrelevant, aber im Hinblick auf die Effizienz im Warenumschlag liegt hier erhebliches Potenzial. Neigungssensoren sind wesentliche Komponenten in komplexen, dynamischen Wiegesystemen, mit denen eine aufgenommene Ladung gewogen werden kann, ohne anzuhalten. Die Einsparung eines statischen Wiegevorganges bringt einen erheblichen Zeitgewinn. »Messfehler durch externe Beschleunigungen können jedoch, wenn überhaupt, nur aufwendig durch nachträgliche Berechnungen kompensiert werden«, gibt Horvatic zu bedenken.

Einmalige Kombination

Um solche Messfehler in dynamischen Anwendungen zu kompensieren, hat Pepperl + Fuchs in der Neigungssensoren-Baureihe F99 darum die inertialen Messsysteme F99-Fusion entwickelt. Sie kombinieren erstmals konventionelle Beschleunigungssensoren mit Gyroskopen in einem einzigen Gerät. Die so integrierten Sensorelemente messen jeweils in drei Achsen. Damit können alle Daten immer in X-, Y- und Z-Richtung erfasst werden. Das ermöglicht die Realisierung von 360-Grad-Messungen. Und der Anwender spart Zeit und Kosten sowohl bei der Beschaffung als auch bei der Integration. Darüber hinaus ist auch die Installation der F99-Fusion deutlich einfacher als die konventioneller Neigungssensoren. »Ein F99-Fusion liefert unabhängig von Lage und Ausrichtung immer eindeutige Daten und wird somit jeder Einbausituation gerecht«, sagt Stefan Horvatic.

Hinter der Kompensation, also dem Erkennen und Filtern von externen Beschleunigungskräften, steckt ein intelligenter Sensorfusionsalgorithmus. Speziell von Pepperl + Fuchs entwickelt, verknüpft er die sich ergänzenden Informationen der unterschiedlichen Sensorelemente miteinander. So ist das System in der Lage, externe Beschleunigungen extrem effektiv auszugleichen und dem Anwender auch bei dynamischer Bewegung präzise Neigungsdaten zu liefern und zwar unabhängig davon, ob das System gerade bewegt, beschleunigt oder gebremst wird.

Dies optimiert die Leistungsfähigkeit solcher Systeme, weil ohne Zeitverlust gefilterte Messwerte exaktere und schnellere Bewegungsabläufe ermöglichen. »Das steigert die Effizienz in Anwendungen, hilft die Sicherheit zu verbessern und eröffnet völlig neue Möglichkeiten«, resümiert der Produktmanager.

Der F99-Fusion bietet eine hohe Präzision bei dynamischer Bewegung. Er kompensiert dazu bis zu 2 g externe Beschleunigung und erreicht eine Genauigkeit von bis zu 0,5 Grad bei einer Winkelauflösung von 0,1 Grad. Der Sensor wird mit einer SAE-CAN-J1939-Schnittstelle geliefert und eröffnet dem Anwender die Möglichkeit, Ausgabedaten je nach Anforderung optimal auf seine Applikationen anzupassen.

Dabei kann dieser sowohl die Rohdaten aus den einzelnen Sensorelementen sowie die verschiedenen berechneten Fusionsdaten nutzen. Als Rohdaten stehen Beschleunigung, Drehrate und Rotationsbeschleunigung zur Auswahl. Die Fusionsdaten wie lineare Beschleunigung, Gravitationsvektor, Euler-Winkel und Quaternionen werden in Echtzeit berechnet und sind unmittelbar verfügbar. Kundenseitig programmierbare Filter erlauben eine optimale Anpassung.

Wie alle Sensoren der F99-Baureihe besteht der F99-Fusion immer aus einem Sensormodul und einem robusten Metallhaltewinkel, der eine einfache Montage erlaubt und gleichzeitig einen optimalen Schlagschutz bietet. Muss ein Sensor getauscht werden, bleibt der Haltewinkel montiert. Zu ersetzen ist lediglich das Sensormodul. Dabei ist weder eine Justierung noch eine Kalibrierung erforderlich.

Pepperl + Fuchs liefert den F99-Fusion immer mit der Schutzart IP68/69, was maximale Dichtigkeit gewährleisten soll. Er ist einsetzbar in Temperaturbereichen von -40 bis 85 Grad Celsius und schock- und vibrationsresistent bis zu 100 g. Eine erhöhte EMV-Störfestigkeit ist zertifiziert nach ISO 7637 und ISO 11452. Ebenso verfügen sie über eine E1-Zulassung für den öffentlichen Straßenverkehr und eine GL-Zulassung für den Einsatz auf hoher See. »Durch einen zusätzlich integrierten Temperatursensor sind sogar Temperaturdaten verfügbar, die beispielsweise als Indikator für den Gerätezustand genutzt werden können«, ergänzt Stefan Horvatic. mk

Auf einen Blick

• Das inertiale Messsystem F99-Fusion von Pepperl + Fuchs garantiert erstmals die fehlerfreie Neigungserfassung in dynamischen Anwendungen.

• Durch die intelligente Verknüpfung von Beschleunigungssensor und Gyroskop werden externe Beschleunigungen kompensiert.

• Das macht bestehende Anwendungen deutlich effizienter und sicherer und erschließt neue Anwendungsfelder.

www.pepperl-fuchs.com

Erschienen in Ausgabe: 07/2017