Sensorsignalübertragung über eine Druckbarriere

Sensorsignalübertragung über eine Druckbarriere

Maxim Jerschok

Problemstellung
Derzeit wird die Kolbenpositionserfassung im Hydraulikventil durch eine Sensorspule erfasst, die von 2 Kabeln gespeist wird, die durch das Gehäuse des Ventils innerhalb der Druckkammer geführt werden. Die Bohrungen sind jedoch eine mechanische Schwachstelle des Ventils. Das Ziel dieses Projekts ist es, diese 2 Kabel durch eine drahtlose Lösung zu ersetzen.

Lösungskonzept
Zur Lösung dieses Problems wurden 3 Lösungskonzepte erprobt:

  • Induktive Kopplung: Die Funktionsweise ist ähnlich wie bei einem Transformator, außer dass der magnetische Fluss durch einen Isolator (Druckbarriere) zur sekundären Kopplung statt durch einen Ferritkern fließt.
  • Induktive Resonanzkopplung: Diese Technologie wird in drahtlosen Energieübertragungssystemen wie z.B. drahtlosen Ladegeräten verwendet.
  • Kapselung der Sensorspule: Bei diesem Konzept werden die beiden Kabel zur Versorgung der Sensorspule beibehalten, außer dass das Ganze gekapselt ist, so dass die Sensorspule abgedichtet bleibt.

Realisierung
Zunächst wurde über die verschiedenen Lösungsansätze recherchiert, um Ideen aus bestehenden Produkten zu sammeln. Dabei kamen verschiedene Konzeptvarianten zum Vorschein. Einige davon wurden simuliert und es wurden praktische Experimente mit interessanten Varianten gebaut und gemessen.

Ergebnisse
Aus den 3 Lösungskonzepten ergaben sich unterschiedliche Ergebnisse:

  • Induktiven Kopplung: Mit dem Konzept der induktiven Kopplungen war es nicht möglich, ein ausreichend hohes Verhältnis zwischen Haupt- und Streuinduktivität zu erreichen. Das Problem ist, dass der Einfluss der Sensorspule auf den Schwingkreis zu klein bleibt und ein großer Teil des Modulationshubes der Sensorspule verloren geht.
  • Induktive Resonanzkopplung: Hier war das größte Problem das Aluminiumgehäuse des Ventils, das sich negativ auf die Kopplung auswirkte.
  • Kapselung der Sensorspule: Dies ist das Konzept, das die besten Ergebnisse erzielt hat. Da die Spule diesmal jedoch um einen Ferrit gewickelt ist, ist sie temperaturempfindlicher. Temperaturschwankungen wirken sich auf das Ausgangssignal aus und müssen kompensiert werden.

Studienbetreuer Prof. Othmar Schälli
Preisstifter Hugo Birbaumer

Hier sehen Sie eine Zeichnung des Ventils mit dem Kolben, der Sensorspule und einer einfachen induktiven Kopplung. Die induktive Kopplung ist der Ersatz für das Kabel zur Spule. Mit einer solchen Kopplung war die ursprüngliche Idee, dieses Problem zu lösen
Dies ist ein Lösungsvorschlag für die Realisierung des Problems mit einer induktiven Kopplung. Es handelt sich um eine achsensymmetrische Ansicht, bei der die Achse die linke Seite des Bildes ist. Die Koppelspulen befinden sich in 2 P-Ferriten, die durch einen Isolator getrennt sind.
Da drahtlose Kopplungen aus verschiedenen Gründen nicht funktionierten, wurde der Ansatz geändert: Statt die Kabel zu ersetzen, wurde die Sensorspule dünner gemacht und mitsamt den Kabeln in eine Kapsel eingebracht.

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