09.03.2011 | Jegliche Art von modernem Prüfstand stellt heute eine komplexe Verflechtung mechatronischer Disziplinen dar. Sie bestehen aus dem mechanischen Aufbau und der kompletten Software zur Steuerung des Prüfstandes sowie Messtechnik bzw. Sensorik. Die Messtechnik selbst trägt stets einen signifikanten Anteil des Know-Hows eines Prüfstandes bei. Die Leistungsfähigkeit des Prüfstandes hängt dabei wesentlich von der Präzision der Sensorik ab. Für die Anforderungen, die in Prüfständen gelten, werden deshalb häufig Wirbelstromsensoren eingesetzt. Diese Sensoren stammen dabei oft aus Ortenburg, dem Sitz des Messtechnik-Unternehmens Micro-Epsilon.
Wirbelstrom-Wegsensoren
werden in unterschiedlichen Applikationen verwendet, doch die Anforderungen
sind zumeist ähnlich. Gefordert wird häufig eine Auflösung im Nanometerbereich
bei möglichst kleinem Sensor, der resistent gegen äußere Einflüsse ist und
flexibel in Bau- oder Anlagenteile integriert werden kann, da das Messobjekt in
der Regel im Inneren des Prüfstandes zu finden ist. Die Messaufgabe an sich lautet
dann zum Beispiel Spalt-, Abstands- oder Verlagerungsmessung.
Die genannten
Anforderungen werden von Wirbelstromsensoren sehr gut erfüllt. Der Sensor
selbst ist dabei im Vergleich zum Prüfstand ein verschwindend kleines Bauteil,
insofern der derzeit weltweit kleinste nur
2 mm Außendurchmesser besitzt. Dennoch ruht eine enorm wichtige Aufgabe auf dem
Bauteil. Doch wie funktioniert ein Wirbelstromsensor?
Der Effekt zur
Messung via Wirbelstrom beruht auf dem Entzug von Energie aus einem
Schwingkreis. Diese Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch
leitfähigen Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom
gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich ein
elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin
Wirbelströme. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt entsprechend der
Lenz’schen Regel dem Feld der Spule entgegen, was eine Änderung der
Spulenimpedanz nach sich zieht. Diese abstandsabhängige Impedanzänderung lässt
sich durch Amplitudenänderung der Sensorspule als messbare Größe am Controller
abgreifen.
Das Verfahren ist
bei allen elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Da Wirbelströme
Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Metalle hinter einer
isolierenden Schicht als Messobjekt dienen. Eine spezielle Spulenwicklung
ermöglicht besonders kleine Sensorbauformen, die auch noch bei hohen
Temperaturbereichen bis 320°C einsetzbar sind. Alle Wirbelstromsensoren sind
unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck und sind daher für
ein schwieriges industrielles Umfeld sehr gut geeignet.
Die
Wirbelstromsensoren der Serie eddyNCDT decken Messbereiche zwischen 0,4 mm und
80 mm ab, wobei die Sensorgeometrie direkt vom Messbereich abhängt. Ein
Messkanal kann dabei eine Auflösung von max. 0,09 nm erreichen.
Kontrolliertes Schweißen
An der TU Braunschweig wurde ein
vollautomatischer Prüfstand aufgebaut, der die erzielbare Nahtgüte während des
Schweißprozesses feststellt, wenn sich die Nahtflanken fortwährend bewegen. Der Prüfstand simuliert eine zweiachsige
Beanspruchung der Schweißprobe. Besonderes Augenmerk wurde auf die Erfassung
der Nahtflankenbewegung der Probenbleche gelegt, da die sichere Erfassung dieser
Regelgröße für den Erfolg der Schweißung maßgeblich ist. Die Unempfindlichkeit
der Wegmessung gegenüber äußeren Störgrößen wie Schmutz, Rauch und auch
elektromagnetischen Feldern war somit
für die Wahl des Wegmesssystems von entscheidender Bedeutung. Wegen der
besonders hohen Robustheit wird das Wegmesssystem aus dem Hause Micro-Epsilon
eingesetzt. Der Sensor der Serie eddyNCDT besitzt einen Messbereich von 4 mm
und sorgt mikrometergenau für einen kontrollierten Ablauf der
Nahtflankenbewegung. Die berührungslose Technologie stellt zudem wartungsfreien
und langen Einsatz im Prüfstand sicher. Gerade bei diesem Prüfstand ist die
Stabilität der Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon gegenüber hohen
Temperaturen ein entscheidender Vorteil.
Prüfstand zur Tribologieprüfung
In einem neuen Hochleistungs-Prüfstand am Institut
für Tribologie und Energiewandlungsmaschinen der TU Clausthal werden ebenfalls
Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon eingesetzt. Mit diesem neuen Prüfstand,
der sich aktuell noch im Aufbau befindet, werden die tribologischen,
strömungsmechanischen und rotordynamischen Vorgänge hochbelasteter Gleitlager
bei höchsten Umfangsgeschwindigkeiten der Welle untersucht. Aufgrund der
bereits vielfach positiven Erfahrungen mit Wirbelstromsensoren von
Micro-Epsilon in bereits existierenden Prüfständen zur Untersuchung
hydrodynamischer Radialgleitlager oder von Gleitlager mit besonders hohen
Belastungen werden auch in diesem neuen Prüfstand Sensoren der Baureihe
eddyNCDT verwendet. Die Welle erreicht dabei Umfangsgeschwindigkeiten von bis
zu 200 m/s, übliche Prüfstände erreichen maximal 120 m/s.
Im Prüfstand wird die Position des Prüflagergehäuses
sowie die Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Prüflager durch
Wirbelstromwegsensoren detektiert. Der Lagerspalt des Gleitlagers zwischen
Lageroberfläche und Rotor wird ebenfalls mit Wirbelstromsensoren erfasst. 22 Messkanäle
befinden sich in dem Prüfstand. Die Miniatur-Sensoren eddyNCDT mit 0,5 mm
Messbereich werden direkt in den Aufbau integriert, um den Lagerspalt mit
höchster Präzision erfassen zu können.
Motorprüfstände
Auch bei Prüfständen für die
Automobilindustrie werden Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon herangezogen. So
wird beispielsweise die Sekundärbewegung der Kolben bei den verschiedenen
Arbeitstakten gemessen. Mehrere Sensoren sind dafür direkt in den Kolben
integriert, sodass sie eine ebene Oberfläche mit der Kolbenwand bilden. Die
Kabel werden entlang der Pleuelstange und der Antriebswelle über eine Schwinge
nach draußen geführt. Direkt im Betrieb, und insbesondere wenn der Motor
Leistung erzeugt, kann so unter Belastung festgestellt werden, ob der Kolben im
Zylinder beispielsweise zuviel Spiel hat und dies die Lebensdauer
beeinträchtigen würde. Werden die Sensoren an anderer Stelle im Motorgehäuse
verbaut, kann beispielsweise das „Atmen“ der Zylinderkopfdichtung während des
Arbeitstaktes getestet werden. Schwierigkeiten bereitet bei allen Anwendungen
im Motor der zur Verfügung stehende Raum. Das Gehäuse eines Motors ist mit
vielen Kühlwasserkanälen durchzogen. Die Sensorintegration und Kabelführung ist
deshalb schwierig, da kein Kanal verändert oder beschädigt werden darf. Neben
der höchst anspruchsvollen Montage muss der Sensor über einen längeren Zeitraum
einer denkbar ungünstigen Umgebung widerstehen: Temperaturen bis zu 200°C,
Drücke von bis zu 2000 bar und Kontakt mit Kraftstoffen, Ölen oder
Kraftstoff-Luft-Gemischen.
Die genannten Anwendungen gelten als Beispiele für
den heutigen Einsatz von Sensoren in Prüfständen. Die Integration von Sensorik
in Prüfstände wird weiter an Bedeutung gewinnen, da nicht zuletzt Prüfstände
für eine hohe Qualität sorgen, die heute als Selbstverständlich vorausgesetzt
wird. Diese Forderung ist nur mit entsprechender mechatronischer Kompetenz für
die Gesamtanlage zu erreichen, die sich in diesem Marktsegment als ein
Entscheidungsmerkmal erweisen wird.
