Positionssensoren für hydraulische Stelzen: Antarktisstation mit Sensoren von MTS ausgestattet

  • 3D-Modell der Plattform über der Schneeoberfläche, verbunden mit der in den Schnee gebauten Garage. Quelle: Alfred-Wegener-Institut3D-Modell der Plattform über der Schneeoberfläche, verbunden mit der in den Schnee gebauten Garage. Quelle: Alfred-Wegener-Institut
  • 3D-Modell der Plattform über der Schneeoberfläche, verbunden mit der in den Schnee gebauten Garage. Quelle: Alfred-Wegener-Institut
  • Installation der Bipoden in der unterirdischen Garagenebene Quelle: Klimmeck/Brüggemann/realnature.tv
  • Schlauchwaage mit magnetostriktivem Füllstandsensor zur Verformungsmessung Quelle: Parker L+S

ie neue deutsche Forschungsstation in der Antarktis kommt nicht ohne Sensortechnik aus Lüdenscheid aus: MTS liefert die Positionssensoren für deren Hebebühnenkonzept, mit dem man dem Schnee trotzen möchte. Wie das aussieht und wo genau der Sensor arbeitet, erfahren Sie hier.

Ganz besondere Bedingungen an die Wegmessung stellt die Antarktis, in der die Polarstation Neumayer III ihren Betrieb aufgenommen hat. In der Vergangenheit wurden die Polarstationen nach dem sogenannten Röhrenkonzept errichtet, bei dem Schutzröhren aus Stahl die Wohn- und Arbeitscontainer umgeben. Ein jährlicher Schneezutrag von rund 1 m ließ diese Stationen nach und nach im Eis versinken. So liegt die 1992 erbaute Neumayer-Station bereits 12 m tief unter der Eisoberfläche. Die Schneemassen deformieren die Stahlröhren, so dass die Station nicht länger betrieben werden kann. Sie musste durch ein neues, wetterfestes Nutzbauwerk für Dauerschneegebiete ersetzt werden: die Polarstation Neumayer III. Sie ist im Auftrag des Alfred-Wegener-Instituts von der Arbeitsgemeinschaft JHK und Kaefer, Bremerhaven, errichtet worden. Bei ihr geht man jetzt neue Wege in der Architektur: Die Gebäude ruhen nun hoch über der Schneefläche auf einer von hydraulischen Stelzen getragenen Plattform. Diese Konstruktion auf Stelzen reduziert die Schneeablagerungen auf ein Minimum, kann sie jedoch nicht komplett eliminieren. So verringert sich mit der Zeit der Abstand der Plattform zur Eisdecke. Deshalb ist das zweite wesentliche Merkmal der neuen Station ihre hydraulische Hebevorrichtung. Sie kompensiert den Schneezutrag und korrigiert die Höhenlage der Plattform, ohne Bauteile im Schneegrund zu hinterlassen. Die Lieferung der kompletten Hydraulikanlage einschließlich Sensorik und Regelungstechnik erfolgte durch Parker L+S aus Stuhr bei Bremen.

Hydraulische Stelzen
Die Hebevorrichtung nutzt 16 höhenverstellbare Stelzen mit je zwei seitlichen Hydraulikzylindern in einer unterirdischen Garagenebene. Diese Bipoden stehen auf einer Fundamentplatte aus Stahl auf dem Schneeboden der Garage. Vor dem Hebevorgang wird jedes Stahlfundament einzeln hydraulisch hochgezogen, der Raum darunter mit Schnee verfüllt und die Stelze wieder auf Last gebracht.

Sind alle Fundamente mit Schnee unterfüttert, fährt die Hubvorrichtung aus und hebt die Polarstation an. Abschließend wird der überschüssige Raum zwischen den Stahlfüßen mit Schnee verfüllt, um einen ebenmäßigen Garagenboden anzulegen. Eine besondere Herausforderung ist die Gleichmäßigkeit der Hebebewegung, um so wenig Spannung wie möglich im Stahlgerüst zu verursachen. Deshalb überwachen magnetostriktive Positionssensoren den Hub der Zylinder. Jeder Hebezylinder integriert einen linearen Sensor in Stabbauform. Über Canbus-Protokoll kommunizieren die Sensoren den Fortschritt der Hebebewegung an die Regelung, die jeden Zylinder individuell nachfahren kann und die Plattform waagerecht hält.

Sensor in der Röhre
Trotz der geregelten Hebebewegung kann es infolge möglicher ungleicher Eissetzungen zu unterschiedlichen Absenkungen der jeweiligen Bipoden kommen. Dies würde zu lokalen Beanspruchungsüberhöhungen der Stahlstruktur führen, die zu vermeiden sind. Deshalb ist für diese Verformungsmessung der Station eine Schlauchwaage nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren in der Polarstation installiert. An jedem Bipoden befindet sich eine senkrechte Röhre, die mit einer speziell für niedrige Temperaturen geeigneten Flüssigkeit angefüllt ist. Alle Röhren sind über ein Schlauchsystem untereinander verbunden. Befindet sich die Station in der Waagerechten, ist der Flüssigkeitsspiegel in allen Röhren identisch. Liegt eine Stelle der Station tiefer, steigt der Pegelstand dort an. In jeder Röhre erfasst ein magnetostriktiver Sensor den Flüssigkeitsspiegel, so dass Höhenunterschiede sofort erkannt werden. Die eingesetzten Positionssensoren müssen in eisiger Umgebung zuverlässig und präzise arbeiten - über Jahrzehnte hinweg. Denn die Station ist auf einen Betrieb von 25-30 Jahren ausgelegt. Eine Wartung oder sogar ein Austausch der Sensoren in dieser Zeit wäre mit viel Aufwand und hohen Kosten verbunden. Deshalb fiel die Wahl auf die Temposonics R-Serie Positionssensoren von MTS Sensor Technologie aus Lüdenscheid. Sie erfassen Positionen, Bewegungen und Füllstände nach dem Prinzip der magnetostriktiven Wegmessung. Die Technologie der Magnetostriktion besitzt einen entscheidenden Vorteil für das Bauwerk in eisiger Kälte: die Wegmessung erfolgt berührungslos, verschleiß- und wartungsfrei.

Für direkte Hubmessung entwickelt
In den Bipoden der Polarstation kommt die Stabbauform der Temposonics Sensoren zum Einsatz. Diese Bauform wurde speziell für die direkte Hubmessung im Hydraulikzylinder entwickelt. Dabei taucht das Messrohr des Sensors - ein druckfester Stab aus Edelstahl - in die aufgebohrte Kolbenstange. Es schützt das Sensorelement, in dem das Nutzsignal entsteht. Der Sensorkopf trägt die komplette Elektronik zur aktiven Signalaufbereitung und liefert Messergebnisse von höchster Genauigkeit. Zweifach geschirmte Schnittstellenmodule garantieren Betriebsicherheit. Ein auf dem Kolbenboden montierter, ringförmiger Positionsmagnet gleitet berührungslos über das Sensorrohr und markiert durch dessen Wand hindurch exakt den Messpunkt. Die Bauform der Temposonics Sensoren in der Schlauchwaage ist identisch zu den Sensoren in den Bipoden. Ausgelegt als Füllstandsensor taucht dabei das Sensorrohr in die Flüssigkeit ein. Der Positionsmagnet ist in einen speziellen Schwimmer aus Kunststoff integriert. Dieser taucht teilweise in die Flüssigkeit ein und bewegt sich mit ihr am Sensorrohr auf und ab. So erfasst der Schimmer kontinuierlich und präzise den Pegelstand in der Röhre.

Zuverlässig bei unter -40 °C
Die in der Hebevorrichtung der Polarstation eingesetzten Positionssensoren besitzen eine Messlänge von 1600 mm und einen direkte Canbus-Schnittstelle. Dank einer Linearität von ≤ ±0,01 % der Messlänge erfassen sie den Zylinderhub mit einer sehr hohen Genauigkeit. Die Auflösung liegt bei 2 µm. So können auch kleinste Abweichungen der 32 Zylinder erkannt und präzise nachgeregelt werden. Auch bei der Neigungsmessung bestimmen die Sensoren Füllstandunterschiede in den Röhren im Mikrometer-Bereich. Durch die berührungslose Positionsmessung arbeiten die Sensoren von MTS selbst bei arktischen Temperaturen von unter -40 °C zuverlässig. Im Gegensatz zu anderen, verschleißanfälligen Technologien besitzen die wartungsfreien Sensoren eine lange Lebensdauer - und das nicht nur in der Antarktis. (gro)

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MTS Sensor Technologie GmbH
Auf dem Schüffel 9
58513 Lüdenscheid
Telefon: +49 2351 9587 0
Telefax: +49 2351 5691

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