Wirbelstromsensor Eddy liefert mikrometergenaue Messergebnissee

Die berührungslosen Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon sind extrem präzise und messen Weg, Abstand, Verschiebung, Position, Schwingung und Vibration mikrometergenau. Druck, Schmutz, Öl oder hohe Temperaturen haben keinen oder nur geringen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Für solche rauen Industrieumgebungen hat Micro-Epsilon das EddyNCDT 3005 entwickelt. Das kompakte Wirbelstrom-Messsystem besteht aus einem Sensor mit integriertem Kabel und einem Miniatur-Controller.

Ölspalt-Überwachung an hydrostatischen Lagern. Bild: Micro-Epsilon

Das neuartige Messsystem ist wegen seiner druckresistenten, temperaturstabilen und kompakten Bauweise zur Integration in die Maschine geeignet. Sowohl der Sensor und auch der kompakte Controller des EddyNCDT 3005 sind temperaturkompensiert.

Dadurch wird die hohe Messgenauigkeit auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen oder Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise in der Automobilfertigung vorherrschen, erreicht. Ausgelegt für Umgebungstemperaturen bis plus 125 Grad können die Sensoren optional in einer Hochtemperatur-Version für Temperaturen von minus 30 bis plus 180 Grad ausgeführt werden. Zudem sind Controller, Kabel und Sensor druckbeständig bis zu 10 bar.

Verzicht im Automobilbau undenkbar

Das Wirbelstromprinzip nimmt unter den induktiven Messverfahren eine Sonderstellung ein. Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Bild: Micro-Epsilon

Ein Verzicht auf den Einsatz von Wirbelstromsensoren, unter anderem beim Produktionsprozess von Fahrzeugen, aber auch im Automobil selbst – zum Beispiel was Sicherheits-Systeme oder Komfort angeht – ist heutzutage undenkbar. Das Wirbelstrom-Messprinzip zählt zu den bewährten Verfahren, wenn es um Messgrößen wie Weg, Verformung, Dehnung, Abstand oder Position geht. Wirbelstromsensoren messen oftmals schneller, präziser und zuverlässiger als berührende Sensoren.

In der Fertigung verwendet, erfolgt die Qualitätskontrolle dank der Sensoren nicht erst am fertigen Produkt, sondern schon in der Maschinenüberwachung. So können mögliche Fehler im Herstellungsprozess frühzeitig erkannt und behoben werden. Ziel ist es, die Qualität der Produkte zu verbessern, den Ausschuss zu minimieren und die Gesamtherstellkosten zu senken. Die Vorteile liegen klar auf der Hand.

Die Sensoren, basierend auf einem elektromagnetischen Messprinzip und zeichnen sich durch hohe Präzision aus. Gemessen wird ohne Verschleiß und ohne Berührung des Objektes. Die hohe Grenzfrequenz garantiert schnelle Messungen nahezu in Echtzeit. Weitere Vorteile sind die robuste Bauart und die Tatsache, dass sie als industrietaugliche Sensorbauformen geliefert werden.

Gerade für mittlere und große Serien werden oftmals Änderungen an den Standard-Wirbelstromsensoren gewünscht. Für kundenspezifi-sche Anforderungen lassen sich die Sensoren vielfältig anpassen. Damit sind Änderungen an Kabeln, Sensormaterial- und Bauform sowie am Controller (wie zum Beispiel Bandbreite, Ausgangssignal oder Filter) möglich. Besonders Sensoren mit integrierter Elektronik im Miniaturgehäuse oder spezielle Sensorbauformen werden oftmals von Systemintegratoren angefragt.

Beispiele für kundenspezifische Änderungen umfassen angepasste Grund- und Messabstände, geänderte Gehäuse- und Befestigungsoptionen, druckresistente Sensoren bis zu 2000 Bar, miniaturisierte Bauformen, spezielles Material für Spule, Gehäuse und Platine, individuelle Kabellängen und Messobjektabstimmungen.

Spaltmaß-Prüfung bei Großanlagen

Die Robustheit der Wirbelstromsensoren, der geringe Einfluss von Schmutz und Öl auf die Messgenauigkeit und die Tatsache, dass sie durch Öl hindurchmessen, macht sie zum verlässlichen Partner beim Einsatz in Maschinen. Großanlagen, wie Steinmühlen oder Teleskopanlagen beispielsweise, arbeiten häufig mit hydrostatischen Lagern. Hierbei handelt es sich um Lagersysteme, die mittels externer Druckversorgung laufend mit flüssigem Schmierstoff versorgt werden.

Dieser wird zwischen die Lagerflächen gepresst, welche somit stets durch einen dünnen Schmierfilm voneinander getrennt sind. Die Lagerflächen sind also keinerlei Reibung ausgesetzt und arbeiten dadurch nahezu verschleißfrei. Ein Fehler in der Hydraulik – zum Beispiel ein Absinken des Öldrucks – kann fatale Folgen haben. Er verursacht Schäden am Lager und dadurch einen Ausfall der Anlage, was mit hohen Wartungs- und Reparaturkosten verbunden ist. Der Ölspalt an hydrostatischen Lagern muss deshalb stets zuverlässig und sicher überprüft werden.

Wirbelstrom-Sensoren der Serie EddyNCDT 3001 sind dafür gut geeignet. Der Sensor wird am Lagerschuh montiert, wodurch er nicht direkt dem Öldruck im Lager ausgesetzt ist. Die Messung erfolgt durch den Ölfilm gegen die gegenüberliegende Lagerfläche. Der Sensor ist einfach zu installieren und damit auch für ältere Anlagen geeignet, die nachgerüstet werden müssen.

Ölfilmdickenmessung in Verbrennungsmotoren

3D-Darstellung verschiedener Messpunkte in einem Motor. Bild: Micro-Epsilon

Zu den Zielen in der heutigen Motorenentwicklung zählen Schadstoffminimierung und Ölverbrauchssenkung. Um geeignete Maßnahmen zur Erreichung dieser Ziele zu ergreifen, ist unter anderem die Kenntnis des Verhaltens und der Dicke des Ölfilmes zwischen Zylinderwand und Kolben oder Kolbenringen von hoher Bedeutung. Besonders interessant ist hierbei das obere Drittel der Zylinderbohrung.

Um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, die in die Serienentwicklung miteinfließen können, müssen Versuche am realen Motor und unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt werden. Die Sensoren sind in der Zylinderwand hinter einer Schutzschicht eingebaut. Die Schutzschicht soll zum einen den Sensor thermisch isolieren und zum anderen die Kontur der Zylinderwand nachbilden.

Gemessen wird der Abstand der Kolbenringe zur Zylinderwand. Für die Messung wird davon ausgegangen, dass der Spalt zwischen Zylinderwand und Kolbenringen vollständig mit Öl gefüllt ist. Für die Messungen wurde ein Messsystem mit einer hohen zeitlichen (0,1 Grad/Kurbelwellenumdrehung) und sehr hoher räumlichen (ungefähr 1 Mikrometer) Auflösung gesucht.

Es darf gleichzeitig nicht durch Öl beeinflusst werden und muss verschmutzungstolerant sein. Die Sensoren sind hohen Temperaturen (kurzfristig bis 200 Grad) ausgesetzt und werden, um Schäden zu vermeiden, temperaturüberwacht. Aufgrund der sehr kleinen Bauform ist der Einfluss auf das tribologische System Kolbenring-Zylinderwand sehr gering. bf

Autor: Stefan Stelzl, Micro-Epsilon

Hintergrundinfo

eddyNCDT 3005 ist druckresistent, temperaturstabil und kompakt gebaut. Bild: Micro-Epsilon

Das Wirbelstrom-Messprinzip

Das Wirbelstrom-Prinzip findet Anwendungen bei Messungen an elektrisch leitenden Werkstoffen, die sowohl Ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben können. Eine in ein Sensorgehäuse eingebaute Spule wird von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen. Das elektromagnetische Spulenfeld induziert im leitfähigen Messobjekt Wirbelströme, wodurch sich der resultierende Wechselstromwiderstand der Spule ändert.

Diese Impedanzänderung bewirkt ein elektrisches Signal, das dem Abstand des Messobjekts zur Sensorspule proportional ist. Wirbelstromsensoren erfassen berührungslos und verschleißfrei Abstände gegen metallische Objekte. Mit der Wirbelstromtechnologie sind Sie in der Lage, nanometergenaue Messungen durchzuführen.

Die von der Sensorspule ausgehenden hochfrequenten Feldlinien dringen problemlos durch nichtmetallische Stoffe, wodurch Messungen sogar bei starker Verschmutzung, Druck und Öl ermöglicht werden. Diese besondere Eigenschaft ermöglicht darüber hinaus die Messung auf metallische Objekte, die mit Kunststoff überzogen sind, wodurch zum Beispiel Schichtdicken erfasst werden können.