Wirbelstrom-Wegsensoren für die Industrie

Wirbelstrom-Wegsensoren gehören zur Gruppe der induktiven Wegsensoren und sind für industrielle Anwendungen gut geeignet. Im Gegensatz zu herkömmlichen induktiven Sensoren ermöglicht das Messprinzip bei Wirbelstromsensoren sowohl Messungen auf nicht ferromagnetischen Materialien (z. B. Aluminium) als auch auf ferromagnetischen Materialien (z. B. Stahl). Sie sind für die berührungslose und verschleißfreie Messung von Weg, Abstand, Position, Schwingung, Vibration und Dicke ausgelegt. Daher eignen sie sich ideal zur Überwachung von Maschinen und Anlagen – sie können Messungen in rauen Industrieumgebungen durchführen, selbst wenn Druck-, Schmutz- oder Temperaturschwankungen auftreten.

Typischerweise werden Wirbelstrom-Wegsensoren dort eingesetzt, wo eine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist und andere Sensoren den vorherrschenden Umgebungsbedingungen nicht gewachsen sind. Optische Sensoren werden beispielsweise durch Schmutz oder Staub im Messspalt und durch hohe Temperaturen beeinflusst. Herkömmliche induktive Wegsensoren verwenden Ferritkerne, die einen vergleichsweise hohen Linearitätsfehler und einen niedrigeren Frequenzgang aufweisen. Außerdem nimmt ihre Messgenauigkeit bei schwankender Umgebungstemperatur ab.

Mit Wirbelstrom-Wegsensoren können nur leitfähige metallische Ziele gemessen werden, egal ob ferromagnetisch oder nicht ferromagnetisch. Nicht leitende Materialien sind für das Wirbelstrom-Messsystem unsichtbar und haben somit keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Aus diesem Grund können diese Sensoren durch Materialien wie Kunststoffe und Öl hindurch auf metallische Objekte messen. Dies ermöglicht Anwendungen wie Ölspaltmessungen und Abstandsmessungen gegen Rollen, die Kunststofffolien führen.

Einschränkungen herkömmlicher induktiver Wegsensoren

Der klassische induktive Wegsensor verwendet eine um einen ferromagnetischen Kern gewickelte Spule. Aufgrund dieses Kerns ist die Ausgabe nichtlinear, sodass sie entweder in der Sensorelektronik linearisiert werden muss oder der Benutzer diese Nichtlinearität in seinem Anlagensteuerungssystem berücksichtigen muss.

Zusätzlich zur Nichtlinearität umfassen andere Einschränkungen Eisenverluste, die durch die Tatsache verursacht werden, dass der Kern selbst das Magnetfeld absorbiert. Diese Verluste nehmen mit der Frequenz zu, sodass ein induktiver Wegsensor bei etwa 100 Messungen pro Sekunde an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit stößt.

Ein weiteres Problem bei induktiven Wegsensoren ist ihre Empfindlichkeit gegenüber extremen Temperaturschwankungen aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ferritkerns. Dies erschwert die Temperaturkompensation und führt normalerweise zu einer hohen thermischen Drift.

Wirbelstrom vs. kapazitive Wegsensoren

Wirbelstrom- und kapazitive Sensoren ermitteln den Abstand zu einem elektrisch leitfähigen Messobjekt anhand von Änderungen des elektrischen Feldes. Wirbelstromsensoren messen den Abstand über die Impedanzänderung der Sensorspule. Bei der kapazitiven Erfassung bilden Sensor und Messobjekt die Platten eines Kondensators.

Beide Typen können im Submikrometerbereich messen. Dennoch unterscheiden sie sich erheblich in Bezug auf die Betriebsumgebung. Wirbelstromsensoren eignen sich ideal für raue Industrieumgebungen mit Schmutz, Staub und Feuchtigkeit. Kapazitive Sensoren hingegen benötigen eine saubere Umgebung, wie sie in der Elektronikfertigung, in Laboren und Reinräumen zu finden ist.

Wirbelstrom-Wegsensoren

Obwohl Wirbelstromsensoren die gleichen Gesetze der magnetischen Induktion wie induktive Weg- und Näherungssensoren anwenden, ermöglicht ihre Luftspulenkonstruktion eine höhere Genauigkeit, Messgeschwindigkeit und Stabilität – Nichtlinearität und Temperaturdrift sind keine Probleme.

Zu ihren Vorteilen gehören:

• Schnelle Messungen bis 100 kHz.

• Hohe Auflösung bis zu 0,5 μm oder besser.

• Hohe Linearität.

• Hohe Temperaturstabilität bei schwankenden Umgebungstemperaturen, die durch eingebettete aktive Temperaturkompensation sogar noch verbessert werden kann.

• Messung mit ferromagnetischen oder nicht ferromagnetischen Zielmaterialien.

• Sie werden nicht durch hohen Druck, hohe Temperaturen, Schmutz, Dampf oder Öl beeinträchtigt.

Funktionsprinzip des Wirbelstromsensors

Ein Wechselstrom in der Sensorspule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld. Dieses Feld induziert im Target einen Strom – den Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das dem Feld der Sensorspule entgegenwirkt und so die Impedanz der Sensorspule verändert. Der Betrag der Impedanzänderung hängt vom Abstand zwischen dem Ziel und der Sensorspule in der Sonde ab. Der Stromfluss in der Sensorspule, der von der Impedanz abhängig ist, wird verarbeitet, um die Ausgangsspannung zu erzeugen, die ein Hinweis auf die Position des Ziels relativ zur Sonde ist.

Temperaturkompensation

Da bei Micro-Epsilon verschiedene Ausführungen von Wirbelstromsensoren erhältlich sind, können Ingenieure den optimalen Sensor für ihre spezielle Anwendung auswählen. Beispielsweise ist eine aktive Temperaturkompensation notwendig, wenn hochpräzise Messungen erforderlich sind. Bei schwankenden Temperaturen gibt es zwei Faktoren, die das Messsignal beeinflussen können:mechanische Veränderungen, bei denen sich die geometrischen Abmessungen des Sensors und des Messobjekts in Form einer Ausdehnung oder Kontraktion des Sensors und des Messobjekts ändern. Und elektrische Effekte haben aufgrund der sich ändernden elektromagnetischen Eigenschaften einen noch größeren Einfluss als mechanische.

Beispielsweise ist die eddyNCDT 3001-Serie speziell für Anwendungen konzipiert, bei denen herkömmliche induktive Wegsensoren oft an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Sie haben kompakte Abmessungen und sind in M12- und M18-Gehäusen verfügbar, die Messbereiche von 2 mm bis 8 mm abdecken. Sie sind nach IP67 geschützt und somit in der Automatisierung, im Maschinenbau und im Design einsetzbar. Außerdem sind sie bis 70 °C temperaturkompensiert. Sie haben eine hohe Messgenauigkeit und Linearität sowie einen Frequenzgang von 5 kHz und sind werkseitig für ferromagnetische und nicht ferromagnetische Objekte wie Aluminium und Stahl kalibriert.

Hydrostatische Lager

Eine Anwendung für Wirbelstrom-Wegsensoren sind große Maschinen wie Steinmühlen oder Teleskopanlagen, die oft mit hydrostatischen Lagern arbeiten. Diese Lagersysteme werden über eine externe Druckversorgung kontinuierlich mit flüssigem Schmierstoff versorgt. Der Schmierstoff wird zwischen die Lagerflächen gepresst, die dadurch durchgehend durch einen dünnen Schmierfilm voneinander getrennt sind. Die Lagerflächen sind keiner Reibung ausgesetzt und arbeiten daher verschleißfrei. Dies ermöglicht eine Positionssteuerung im Submikrometerbereich. Störungen in der Hydraulik oder Druckabfälle können jedoch verheerende Folgen haben. Dies könnte zu Schäden an den Lagern und schließlich zu einem Systemausfall führen, was hohe Wartungs- und Reparaturkosten verursacht. Der Ölspalt in hydrostatischen Lagern erfordert daher eine kontinuierliche zuverlässige Kontrolle. Bei dieser Anwendung wird der Sensor horizontal zum Lagerschuh montiert, ist also nicht direkt dem Öldruck ausgesetzt. Es misst durch den Ölfilm auf die gegenüberliegende Lagerfläche.

Verbrennungsmotoren

Die genaue Position des Kolbens, der Kolbenringe und die vorhandenen Druckverhältnisse sind wesentliche Informationen für Hersteller von Verbrennungsmotoren. Mithilfe von Simulationstools werden diese Daten vor allem genutzt, um verlässliche Vorhersagen über Verschleiß, Reibung und Ölverbrauch zu treffen. Der Wirbelstromsensor misst Kolbenring- und sogenannte Kolbensekundärbewegungen mit hoher Genauigkeit. Hier zeigen sich die Vorteile von Wirbelstromsensoren – Beständigkeit gegenüber den hohen Temperaturen in Verbrennungsmotoren (kurzzeitig bis 180°C und höher) –. Die vorherrschende Vibration, Druck, Öl, Kraftstoff, Verbrennungsgas und kontinuierliche mechanische Bewegung haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse. Darüber hinaus bieten eddyNCDT-Sensoren schnelle Messgeschwindigkeiten bei kleinen Messbereichen (0 – 0,5 mm) und extrem hoher Auflösung (weniger als 1 μm).

Miniaturisierung

Micro-Epsilon hat einen Sensor entwickelt, der die eingebettete Spulentechnologie (ECT) zur Miniaturisierung verwendet. Diese Fertigungstechnik lässt nahezu unbegrenzte Freiheiten hinsichtlich des äußeren Designs und der geometrischen Form der Sensoren zu, während gleichzeitig die Auswerteelektronik in den Sensor integriert werden kann. Es wird durch Einbetten einer zweidimensionalen Wirbelstromspule in ein anorganisches Material konstruiert, das die Stabilität, Robustheit und Wärmebeständigkeit der Sensoren verbessert. Diese Sensoren eignen sich für extrem raue Anwendungen wie Ultrahochvakuum in der Halbleiterfertigung.

Wirbelstrom-Wegsensoren – Kleine, aber leistungsstarke Industriearbeiter

Diese kleinen Sensoren sind ideal für industrielle Umgebungen, in denen die Umgebungen am rauesten und anspruchsvollsten sind und dennoch äußerst präzise Messungen erfordern. Sie können überall eingesetzt werden, von Spaltmessungen in hydrostatischen Lagern in großen Maschinen über das Spiel zwischen Kolben und Zylinder bis hin zu Abstandsmessungen gegen Rollen, die Kunststofffolien führen.

Dieser Artikel wurde von Martin Dumberger, Managing Director, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Dumberger unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .