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Hydraulikanwendungen

Trafag-Drucktransmitter, unter anderem auf Baumaschinen, Forstund Landwirtschaftsfahrzeugen eingesetzt, bewähren sich seit bald 20 Jahren in extrem rauen Umgebungen, von der staubigen Hitze in Wüstengebieten bis zur eisigen Kälte subarktischer Wälder. Die zuverlässigen und langzeitstabilen Drucktransmitter werden auch in der stationären Hydraulik sehr geschätzt, denn teure Produktionsunterbrüche lassen sich so vermeiden.

Trafags Produkte finden in der Hydraulik ihren Einsatz beispielsweise in:

  • Land- und Forstwirtschaftsmaschinen
    Traktoren, Erntemaschinen, Transportmaschinen
  • Erneuerbare Energien
    Rotorsteuerung in Windkraftanlagen, Solar-Tracking für Photovoltaikanlagen
  • Baumaschinen
    Bagger, Mobilkräne, Betonpumpen und -mischer
  • Kommunal- und Spezialfahrzeuge
    Müllabfuhr, Schwertransporter, Feuerwehrlöschfahrzeuge
  • Maschinen- und Anlagenbau
    Spritzgussmaschinen, Umformpressen, Streckblasmaschinen
  • Test- und Prüfinstallationen
    Fahrwerksprüfstände, Materialprüfanlagen, Prüfung hydraulischer Komponenten
  • Hydraulische Komponenten und Subsysteme
    Ventilblocksysteme, Powerpacks, Tanküberwachung

Zuverlässige Druckmessung unter rauen Bedingungen 

Drucksensoren und Drucktransmitter für Hydraulikanwendungen, manchmal auch Druckmessumformer genannt, (vgl. auch Drucktransmitter) messen den Druck des Mediums Hydrauliköl in Ventilen, Pumpen, Zylindern und Druckspeichern, etc. Sie sind deshalb zentrale Elemente für die Steuerung und Regelung von Hydrauliksystemen. Diese Systeme sind oft Bestandteile grosser und teurer Maschinen oder Anlagen, bei welchen ein Stillstand oder gar Ausfall weitreichende Konsequenzen zur Folge hätten. Aus diesem Grund müssen Drucktransmitter für die Hydraulik zu jeder Zeit zuverlässig funktionieren – auch unter rauen Bedingungen. Deshalb ist die robuste Bauweise sehr wichtig.

Hydraulikapplikationen werden in zwei Kategorien unterteilt: Die Kategorie der stationären Anwendungen umfasst Einsatzgebiete wie Werkzeugmaschinen oder Aufzüge. Der Kategorie der mobilen Anwendungen werden beispielsweise Baumaschinen und Kommunalfahrzeuge zugeordnet.

Viele Anforderungen gelten sowohl für die stationären wie auch die mobilen Anwendungen. In der Mobilhydraulik gilt es aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen zusätzliche Herausforderungen zu meistern.

Generelle Herausforderungen für Drucksensoren in der Hydraulik
Druckspitzen 

In der Hydraulikanwendung wird generell ein Flüssigkeitsdruck gemessen, meist der Druck des Hydrauliköls. Weil die Flüssigkeit nur geringfügig komprimierbar ist, übertragen sich anlage- und anwendungsbedingte Druckspitzen als harte Stösse fast ungefiltert auf die Sensoren. Diese kurzzeitige, enormen Druckbelastung kann dazu führen, dass die Sensoren beschädigt werden oder sogar bersten. Als Gegenmassnahme integrieren die meisten Hersteller in der Druckbohrung des Sensors sogenannte Druckspitzen-Dämpfungselemente. Weil diese eine kleinere Öffnung als die Druckbohrung im medienberührenden Teil des Drucktransmitters aufweisen, wirken sie wie eine Blende vor der Membran und bieten so in vielen Fällen einen ersten Schutz Messaufnehmers gegen kurzzeitige Druckschläge.

Bei extremen Druckstössen reichen die Dämpfungselemente jedoch nicht mehr aus, und die Membrane muss robuster gebaut werden. Als Messgrösse für die Robustheit der Membrane gegenüber Druckstössen dient die Überdruckfestigkeit, die bei marktüblichen Drucksensoren das Doppelte des Messbereiches oder Nennbereiches beträgt. Hydraulikdrucksensoren von Trafag bieten standardmässig eine Überdruckfestigkeit des dreifachen Nenndruckes, optional ist sogar eine Überdruckfestigkeit des fünffachen Nenndruckes verfügbar.

Leckage aufgrund einer geplatzten Sensormembran bei einer Wasserpumpenanwendung.

Weiterführende Informationen zum Thema «Druckspitzen» und wie Drucksensoren vor Druckspitzen geschützt werden können, finden Sie hier:

Whitepaper

Bedeutung der Sensorwahl für die Druckmessung in der Hydraulik 

Sollten Druckspitzen auftreten, die deutlich höher sind als die Überdruckfestigkeit, so bietet die Verwendung von Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren als Druckaufnehmer eine zusätzliche Sicherheit gegenüber dem Bersten der Membrane. Ein Bersten der Membran muss unbedingt verhindert werden. Denn durch eine defekte Membran würde Öl austreten und der entstehende Schaden wäre weitaus grösser, als ein beschädigter Drucksensor.

Der Vorteil von Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren ist die Duktilität der drucktragenden Membrane. Denn sie kann sich bei Überbelastung noch dehnen, bevor sie reisst. Dies steht im Gegensatz zu Dickschicht-auf-Keramik Sensoren und piezoresistiven Sensoren, bei denen die drucktragenden Elemente spröde sind und deshalb ein abruptes Bruchverhalten aufweisen.

Ein weiterer Vorteil der Dünnfilm-auf-Stahl-Sensoren ist, dass sich eine mögliche Beschädigung bereits vor dem Bersten relativ einfach detektieren lässt. Denn die Überbelastung der Membran führt zu einem Nullpunktfehler, der sehr einfach mit geeigneten Routinen in der Maschinensteuerung detektiert werden kann.

Robuste, überdruckfeste Messzelle sind ein Muss in der Hydraulik 

Neben den Druckstössen, die besonders hohe Abweichungen vom Nenndruck darstellen, ist der Nenndruck in Hydrauliksystemen auch höher als beispielsweise in der Pneumatik. Die Arbeitsdrücke im Hydrauliksystem betragen meist zwischen 160 bar und 600 bar. Ausnahmen davon sind die Drücke in Filtern, bei denen häufig Differenzdruck gemessen wird, und bei den Pegelständen in den Flüssigkeitstanks, deren hydrostatischer Druck sich zwischen 100mbar und meist weniger als 2bar bewegt.

Der hohe Druck in Hydrauliksystemen stellt hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit und die präzise Herstellung der Komponenten des Drucktransmitters: So müssen die Anschlussteile präzise gefertigt sein, damit die Dichtung mit dem Gegenstück gewährleistet ist und kein Öl austreten kann. Zudem muss der verwendete Edelstahl des Anschlusses über die notwendige Festigkeit verfügen, um den wirkenden Kräften auch nach mehrjährigem Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen widerstehen zu können.

Die Anschlussteile und Membranen des Drucksensors bestehen aus Edelstahl und sind sehr gut kompatibel mit den gängigen Hydraulikölen. Lediglich bei Elastomer-Dichtungen ist darauf zu achten, dass das verwendete Dichtungsmaterial auch mit dem berührenden Öl kompatibel ist. Dies gilt es nicht nur für die Dichtungen im Prozessanschluss, sondern auch für die Dichtungen am Gehäuse und im Stecker zu beachten. Denn austretendes Öl, resultierend aus Leckagen oder Verunreinigungen bei Reparatur- und Wartungsarbeiten, kann dazu führen, dass auch äussere Komponenten mit dem Öl in Berührung kommen.

Dünnfilm-Stahlsensoren von Trafag
Bedeutung des gewählten Ausgangssignals für die Druckmessung in der Hydraulik 

Die Übertragung des Messwertes an die Steuerung erfolgt über das Ausgangssignal. Am meisten verbreitet sind noch immer Messumformer mit dem Analogausgang, wie beispielsweise 4 … 20mA, weil dies sehr kostengünstig ist. Digitale Signale, wie beispielsweise IO-Link oder CANopen werden jedoch immer beliebter. Sie bieten neben der Messwertauswertung zusätzliche Vorteile. Wegen der grösseren Immunität gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen bieten digitale Signale die Möglichkeit, neben dem Druckmesswert auch weitere Parameter, wie beispielsweise die Geräte- oder Medientemperatur (sofern im Transmitter ein Temperatursensor die Messwerte zur Verfügung gestellt) zu übertragen. Zudem können digitale Signale auch Diagnosedaten übertragen werden, welche beispielsweise für Condition Monitoring genutzt werden.

Auch die Parametrierung ist über die digitale Schnittstelle sehr einfach möglich. Diese Parametrierung ist bei Druckmessumformern, die über einen oder mehrere Schaltausgänge verfügen oder bei Geräten mit Display von besonderer Bedeutung. Trafag bietet eine Druckmessumformer-Baureihe (DPC 8380 und DPS 8381) mit Anzeige an. Verschiedene Parameter können über die Smartphone-App und die NFC-Schnittstelle am Display einfach und schnell konfiguriert werden. Neben den Parametern für die Schaltausgänge und der Anzeige lässt sich auch der Messbereich einfach anpassen. Zusätzlich kann der Analogausgang von einem 4 … 20mA Stromsignal auf ein 0 … 10VDC-Spannungssignal umgeschaltet werden. Die Daten des integrierten Loggers können über diese Schnittstelle ebenfalls in Erfahrung gebracht werden.

DPS

Erfahren Sie mehr über die Parametrierung von Drucksensoren mit Anzeige in diesen Whitepapern:

DPX technical review

DPX ECL technical review

Elektronische Druckschalter ohne Display werden zunehmend durch IO-Link-Geräte ersetzt. Die Schaltausgänge, die bei den IO-Link-Geräten durch den IO-Link-Standard auf abwärtskompatibel mit konventionellen Druckschaltern sind, können sehr einfach über die Schnittstelle parametriert werden.

Spezielle Anforderungen an Drucksensoren in der Mobilhydraulik 

In der Mobilhydraulik werden hydraulische Systeme in mobilen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Baumaschinen, Forstmaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen und Bergbaumaschinen. Diese Systeme sind auf Drucksensoren angewiesen, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die Druckmessung in diesen Umgebungen ist jedoch mit einigen zusätzlichen Herausforderungen verbunden:

Extreme Temperaturen in der Mobilhydraulik 

Anwendungen in der Mobilhydraulik kommen häufig in Umgebungen mit extremen Temperaturen zum Einsatz: z. B. in der Wüste oder auch in der Arktis. Die grossen Temperaturschwankungen können eine Drift der Signale der Drucksensoren bewirken, was zu ungenauen Messresultaten führt. Die Trafag Drucktransmitter der Baureihe NAX (NAT 8252 und NAH 8254 mit Analogausgang, NAI 8273 mit IO-Link sowie CMP 8271 mit CANopen-Ausgangssignal) bewähren sich seit fast zehn Jahren unter härtesten Bedingungen in allen Teilen der Welt.

Schocks, Stösse, Schläge und Vibrationen in der Mobilhydraulik 

Mobile Maschinen werden in rauen Umgebungen eingesetzt, wo erhebliche Stösse und Vibrationen häufig vorkommen Dies kann dazu führen, dass ungeeignet gewählte Drucksensoren ungenaue Messwerte liefern oder sogar ganz ausfallen. Um Vibrationen zuverlässig standhalten zu können, muss der innere Aufbau der Drucktransmitter entsprechend zuverlässig konzipiert und produziert werden. Hier heben sich die Trafag Druckmessumformer mit ihrer zuverlässigen Aufbau- und Verbindungstechniken besonders hervor. Dank der hohen Integration vieler Funktionalitäten im Trafag ASIC, dem inhouse entwickelten und ideal auf den Trafag Drucksensoren abgestimmten Mikrochip, benötigt die Elektronik von Trafag Drucktransmittern weniger Komponenten und ist dadurch robuster gegenüber Vibrationen und deshalb weniger fehleranfällig.

Excavator loading - Where Trafag's products are used
Verschmutzung in der Mobilhydraulik 

Mobile Maschinen kommen häufig in schmutzigen und staubigen Umgebungen zum Einsatz, was entsprechend zu Verschmutzungen der Drucksensoren führt. Verunreinigungen, oft auch bloss Wasser oder Feuchtigkeit, gelangen meist durch den Stecker – die Haupt-Schwachstelle eines jeden Drucktransmitters – ins Innere des Sensors und können dort die Elektronik oder die Messzelle beschädigen. Entscheidend ist deshalb eine hohe und zuverlässige Schutzart (IP 67 oder sogar IP 69 / IP 69K). Staub und Korrosion, verursacht durch die Kondensation von Feuchtigkeit, führen zu sporadisch auftretenden Fehlsignalen oder sogar zu einem dauerhaft falschen Ausgangswert. Das vollverschweisste Edelstahlgehäuse sowie zusätzliche Schutzmassnahmen im Stecker schützen den Trafag Drucktransmitter zuverlässig vor schädigenden Umwelteinflüssen – auch unter den widrigsten Bedingungen.

Grössen- und Gewichtsbeschränkungen in der Mobilhydraulik 

Mobile Maschinen sind so konzipiert, dass sie möglichst kompakt und leicht sind. Deshalb sollen Drucksensoren einerseits klein und leicht sein, aber dennoch hohen Drücken und rauen Umgebungen standhalten können. Die NAX-Baureihe mit einem Gehäusedurchmesser von nur 19mm ist nicht nur sehr kompakt und somit leicht. Die NAX-Druckmessumformer sind durch das vollverschweisste Stahlgehäuse auch sehr robust und widerstandsfähig.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Druckmessung in Anwendungen der Mobilhydraulik aufgrund der hohen Druckbereiche, der extremen Temperaturen, der Stösse und Vibrationen, der Verschmutzung sowie der Grössen- und Gewichtsbeschränkungen der Maschinen sehr anspruchsvoll ist und somit die richtige und überlegte Wahl der Drucksensoren eine wichtige Aufgabe darstellt. Denn Drucksensoren müssen in der Lage sein, diese Herausforderungen zuverlässig zu meistern und gleichzeitig genaue Messwerte für einen sicheren und effizienten Betrieb der Maschine zu liefern.