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 dem "immer kleiner" ist gerade bei hydraulischen Aktoren eine immer bessere Dynamik gefragt. Klein und leistungsfähig sowie hohe Dynamik bedeuten höhere Energiedichte für das Antriebsmedium; der Arbeitsdruck steigt daher bei neuen Anlagen an. Die höhere Belastung durch den steigenden Druck und die Gefahr von folgenschweren Kolbencrashs erfordern hochdruckresistente und dauerhaltbare Sensoren. Eine neue Miniatursensorbaureihe, bei der robuste Auslegung im Vordergrund stand, bietet nun widerstandsfähige Näherungsschalter in den Größen M5 und M8 bei 1 mm und 1,5 mm Schaltabstand.
Den Ansprüchen der modernen Hydraulikentwicklung Rechnung zu tragen war das Ziel der Experten des Schweizer Sensorikherstellers Contrinex, als er die neue Serie induktiver Kleinstsensoren entwickelte. Die hohen mechanischen Belastungen durch die auch in Zukunft steigende Arbeitsdrücke mussten sicher und dauerhaft aufgefangen werden. Nur so lässt sich eine lange Lebensdauer bei kleinem Sensordurchmesser und damit naturgemäß wenig schützender Wandstärke gewährleisten. Der Einsatz einer mittels eines patentierten Verfahrens mit der Hülse verbundenen keramischen Scheibe vor der aktiven Fläche brachte dabei den entscheidenden Durchbruch.
Berührungsfrei messen vor Ort
Da in der Hydraulik metallische Werkstoffe für Kolben und Kolbenstangen das Mittel der Wahl sind, eignet sich für ihre sichere und berührungsfreie Detektion das induktive Messverfahren besonders. 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 die weitere Miniaturisierung der Hydraulik. Neben einer speziell für den beschränkten Platz in M5- und M8-Sensoren entwickelte Messelektronik mussten die Schweizer Spezialisten daher eine Abdichtungslösung finden, die ohne allzu große Eigendämpfung absolut sicher die Elektronik gegen das Hydraulikmedium abdichtet. Da für einen Sensortausch immer der Systemdruck abgelassen werden muss, teilweise sogar das Medium, sind Auswechselaktionen zeitaufwändig. Die Anlage steht; das kostet Geld. Dauerhaft über lange Zeit dichte Sensoren, die druckwechselresistent ausgelegt sind, sparen daher deutlich bei Wartungs- und Betriebskosten.
In der Praxis
Bei Hydraulikdrücken von 500 bar können durch plötzliches Schließen eines Ventils u.U. Druckstöße bis zu 1000 bar auftreten. Dies kann man zwar konstruktiv weitgehend minimieren, jedoch sind gerade bei Störungen solche Kurzzeit-Druckspitzen nie auszuschließen. Ein praxistauglicher Sensor muss daher bis 1000 bar Spitzendruck ohne Ausfall vertragen. Bei einem 5 mm durchmessenden Sensor liegen bei 1000 bar an der vorderen Fläche (ca. 19 mm2) rund 1900 N an, bei 8 mm (ca 50 mm²) sind es 5000 N. Das entspricht "landläufig gesagt" rund 190 kg bzw. 500 kg. Diese Kraft muss stirnseitig sicher abgefangen, auf die Wand des Sensors und von dieser auf die des Hydraulikzylinders übertragen werden.
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 ist eher gering, da der Kunststoff und der Kleber sich bei hohem Druck elastisch merklich verformen. Auch können manche Hydraulikflüssigkeiten bzw. deren Additive den Kunststoff anlösen oder verspröden. Als wirklich dauerhafter Abdichtwerkstoff kommt daher nur ein chemisch inertes Material, wie Keramik in Betracht. Sie verhält sich auch unter hohen Drücken quasi starr, verformt sich nur minimal und hat keinen dämpfenden Einfluss auf das Signal.
Detail-Knowhow
Die Verbindung zwischen duktiler metallischer Sensorhülse und sprödfester Keramik ist schwierig. Die Sensorexperten fanden aber auch hier einen Weg, der sowohl eine Serienfertigung erlaubt wie auch die reproduzierbare Langzeitstabilität der Verbindung garantiert. Klebstoffe oder Löten kamen nicht in Betracht. Die Wahl fiel 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 Edelstahl mit höchsten Festigkeitswerten lieferte die nötige 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. Heraus kam so eine langzeitstabile Sensorabdichtung, die gegenüber allen bisher verwendeten Hydraulikmedien resistent ist. Die mechanische Auslegung für Dauerdrücke bis 500 bar bei Druckspitzen bis zu 1000 bar lässt den Einsatz in dem weiten Betriebsbereich moderner (Klein-)Hydrauliksysteme problemlos zu. Um diese Spitzendruckfestigkeit zu garantieren wird jeder Sensor von Contrinex mit 100 Druckzyklen zu je 1000 bar getestet. Metallische Dichtungen eignen sich auch für Hochvakuum, da kein Gas diffundieren kann. Die neuen Kleinsensoren sind daher auch für anspruchsvolle Hochvakuumanwendungen von Haus aus geeignet.
Technische Daten
Die nach diesem Prinzip entwickelten Sensoren mit fünf und acht Millimeter Durchmesser bieten für ihre Baugröße erstaunliche Leistungen. Der DW-AD-503-P5 Sensor zeichnet sich durch einen Schaltabstand von 1 mm aus und ist auf über 1 Million Druckzyklen ausgelegt. Der Einsatzdruck darf zwischen 10-8 Torr und 1000 bar betragen.
Der DW-AD-50-P8 Sensor punktet mit den gleichen Werten und kann dabei bis zu einem Schaltabstand von 1,5 mm sicher detektieren. Dank des patentierten Condist-Verfahrens verfügen diese Sensoren über eine außergewöhnliche Temperaturstabilität und einen erweiterten Temperaturbereich bis 100°C. Unterschiedlich konfektionierte Anschlusskabel stehen auf Anfrage zur Verfügung. Alle Sensoren sind voll kompatibel mit den in der IEC 60947-5-3 geforderten EMV-Normen. Sie bestehen alle erforderlichen Tests, insbesondere IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-3, IEC 61000-4-4, IEC 61000-4-6 und IEC 61000-4-8..
Moderne kleine Näherungssensoren mit induktiver Messtechnik eignen sich für Hydraulikanlagen besonders. Eine äußerst robuste, keramische Abdichtung verlängert nicht nur die Lebensdauer der Sensoren, sie mindert auch Ausfallzeiten durch Wartung. Die in dieser Baugröße beispielhaften Schaltabstände erlauben eine sichere Steuerung der hydraulischen Komponenten und vermeiden Kolbencrashs und Folgeschäden im System. Damit sparen die Winzlinge nicht nur Platz in der Anlage, sie sichern auch einen kostengünstigen und dauerhaft zuverlässigen Betrieb moderner Hydraulikanlagen.
