Hochpräzise Wirbelstrom-Wegsensoren für industrielle Anwendungen

Wirbelstrom-Wegsensoren gehören zur Gruppe der induktiven Wegsensoren und sind hervorragend für industrielle Anwendungen geeignet. Im Gegensatz zu herkömmlichen induktiven Sensoren ermöglicht das Messprinzip von Wirbelstromsensoren Messungen an nicht-ferromagnetischen Materialien (z. B. Aluminium) ebenso wie an ferromagnetischen Materialien (z. B. Stahl). Sie sind für berührungslose und verschleißfreie Messungen von Weg, Abstand, Position, Oszillation, Vibration und Dicke konzipiert. Daher eignen sie sich ideal zur Überwachung von Maschinen und Anlagen – sie können Messungen in rauen industriellen Umgebungen durchführen, selbst dort, wo Druck, Schmutz oder Temperaturschwankungen auftreten.

Typischerweise werden Wirbelstrom-Wegsensoren dort eingesetzt, wo hohe Messgenauigkeit erforderlich ist und andere Sensoren den vorherrschenden Umgebungsbedingungen nicht standhalten können. 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 ein niedrigeres Frequenzansprechen aufweisen. Auch ihre Messgenauigkeit nimmt bei schwankenden Umgebungstemperaturen ab.

Nur leitfähige metallische Ziele, ob ferromagnetisch oder nicht-ferromagnetisch, können mit Wirbelstrom-Wegsensoren gemessen werden. 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 Ölabstandsmessungen und Abstandsmessungen an Rollen, die Kunststofffolien führen.

Grenzen herkömmlicher induktiver Wegsensoren

Der klassische induktive Wegsensor verwendet eine Spule, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Aufgrund dieses Kerns ist das Ausgangssignal nichtlinear, sodass es entweder in der Sensorelektronik linearisiert werden muss oder der Anwender diese Nichtlinearität in seinem Anlagenleitsystem berücksichtigen muss.

Zusätzlich zur Nichtlinearität umfassen weitere Limitationen Eisenverluste, verursacht dadurch, 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 seine Leistungsgrenzen stößt.

Ein weiteres Problem induktiver Wegsensoren ist ihre Empfindlichkeit gegenüber extremen Temperaturschwankungen aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ferritkerns. Dies macht Temperaturkompensation herausfordernd, was normalerweise zu hoher thermischer Drift führt.

Wirbelstrom- vs. kapazitive Wegsensoren

Wirbelstrom- und kapazitive Sensoren erfassen den Abstand zu einem elektrisch leitfähigen Messobjekt basierend auf Änderungen im elektrischen Feld. Wirbelstromsensoren messen die Distanz über die Impedanzänderung der Sensorspule. Bei kapazitiver Messung bilden Sensor und Messobjekt die Platten eines Kondensators.

Beide Typen können im Submikrometerbereich messen. Dennoch unterscheiden sie sich erheblich hinsichtlich der Betriebsumgebung. Wirbelstromsensoren sind ideal für raue industrielle Umgebungen mit Schmutz, Staub und Feuchtigkeit. Kapazitive Sensoren hingegen benötigen die Art sauberer Umgebungen, wie sie in der Elektronikfertigung, Laboren und Reinräumen vorkommen.

Wirbelstrom-Wegsensoren

Obwohl Wirbelstromsensoren dieselben Gesetze der magnetischen Induktion wie induktive Weg- und Näherungssensoren nutzen, ermöglicht ihre luftkernspulenbasierte Konstruktion höhere Genauigkeit, Messgeschwindigkeit und Stabilität – Nichtlinearität und Temperaturdrift sind keine Probleme.

Ihre Vorteile umfassen:

• Schnelle Messungen bis zu 100 kHz.

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

• Hohe Linearität.

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

• Messung mit entweder ferromagnetischen oder nicht-ferromagnetischen Zielmaterialien.

• Sie werden nicht von hohem Druck, hoher Temperatur, Schmutz, Dampf oder Öl beeinflusst.

Funktionsprinzip von Wirbelstromsensoren

Ein Wechselstrom in der Sensorspule erzeugt ein wechselndes Magnetfeld. Dieses Feld induziert einen Strom im Ziel – den Wirbelstrom. Der wechselnde Wirbelstrom erzeugt sein eigenes Magnetfeld, das dem Feld der Sensorspule entgegenwirkt und somit die Impedanz der Sensorspule ändert. Die Höhe der Impedanzänderung hängt vom Abstand zwischen Ziel und Sensorspule in der Sonde ab. Der Stromfluss in der Sensorspule, der impedanzabhängig ist, wird verarbeitet, um die Ausgangsspannung zu erzeugen, die ein Indikator für die Position des Ziels relativ zur Sonde ist.

Temperaturkompensation

Da verschiedene Wirbelstromsensor-Designs von Micro-Epsilon verfügbar sind, können Ingenieure den optimalen Sensor für ihre spezifische Anwendung auswählen. Aktive Temperaturkompensation ist beispielsweise notwendig, wenn hochpräzise Messungen erforderlich sind. Bei schwankenden Temperaturen gibt es zwei Faktoren, die das Messsignal beeinflussen können: mechanische Änderungen, bei denen sich die geometrischen Abmessungen von Sensor und Ziel in Form von Ausdehnung oder Kontraktion ändern. Und elektrische Effekte haben einen noch größeren Einfluss als mechanische, aufgrund sich ändernder elektromagnetischer Eigenschaften.

Zum Beispiel ist die eddyNCDT 3001 Serie speziell für Anwendungen konzipiert, wo herkömmliche induktive Wegsensoren oft an ihre Leistungsgrenzen gestoßen sind. Sie haben kompakte Abmessungen und sind in M12- und M18-Gehäusen erhältlich, decken Messbereiche von 2 mm bis 8 mm ab. Sie sind nach IP67 geschützt und somit in Automatisierung, Maschinenbau und Design anwendbar. Darüber hinaus sind sie bis 70 °C temperaturkompensiert. Sie weisen hohe Messgenauigkeit und Linearität sowie eine 5-kHz-Frequenzantwort auf und sind werkskalibriert für ferromagnetische und nicht-ferromagnetische Objekte wie Aluminium und Stahl.

Hydrostatische Lager

Eine Anwendung für Wirbelstrom-Wegsensoren ist in großen Maschinen wie Steinmühlen oder Teleskopinstallationen, die oft mit hydrostatischen Lagern arbeiten. Diese Lagersysteme werden kontinuierlich mit flüssigem Schmiermittel über eine externe Druckversorgung versorgt. Das Schmiermittel wird zwischen die Lagerflächen gepresst, die dadurch kontinuierlich voneinander durch einen dünnen Schmierfilm getrennt sind. Die Lagerflächen sind nicht der Reibung ausgesetzt und arbeiten daher verschleißfrei. Dies ermöglicht Sub-Mikrometer-Positionsregelung. Störungen in der Hydraulik oder Druckabfälle können jedoch katastrophale Folgen haben. Dies könnte zu Schäden an den Lagern und letztlich zum Systemausfall führen, was hohe Wartungs- und Reparaturkosten verursacht. Der Ölspalt in hydrostatischen Lagern erfordert daher kontinuierliche zuverlässige Inspektion. Für diese Anwendung wird der Sensor horizontal zum Lagerschuh montiert, sodass er nicht direkt dem Öldruck ausgesetzt ist. Er misst durch den Ölfilm hindurch auf die gegenüberliegende Lagerfläche.

Verbrennungsmotoren

Die exakte Position des Kolbens, der Kolbenringe und die vorherrschenden Druckbedingungen sind essenzielle Informationen für Hersteller von Verbrennungsmotoren. Mithilfe von Simulationswerkzeugen werden diese Daten primär verwendet, um zuverlässige Vorhersagen über Verschleiß, Reibung und Ölverbrauch zu treffen. Der Wirbelstromsensor misst den Kolbenring und die sogenannten Kolben-Sekundärbewegungen mit hoher Genauigkeit. Hier werden die Vorteile von Wirbelstromsensoren deutlich – Beständigkeit gegen die hohen Temperaturen in Verbrennungsmotoren (bis zu 180 °C und kurzzeitig sogar höher). Die vorherrschenden Vibrationen, Druck, Öl, Kraftstoff, Verbrennungsgas und kontinuierliche mechanische Bewegung beeinflussen die Präzision der Ergebnisse nicht. Zusätzlich bieten eddyNCDT-Sensoren schnelle Messgeschwindigkeiten mit kleinen Messbereichen (0 – 0,5 mm) und extrem hoher Auflösung (weniger als 1 µm).

Miniaturisierung

Micro-Epsilon hat einen Sensor entwickelt, der Embedded-Coil-Technology (ECT) für Miniaturisierung nutzt. Diese Fertigungstechnik ermöglicht fast unbegrenzten Spielraum in Bezug auf externes Design und geometrische Form der Sensoren, während die Auswerteelektronik in den Sensor integriert wird. Er wird durch Einbetten einer zweidimensionalen Wirbelstromspule in anorganisches Material konstruiert, was die Stabilität, Robustheit und thermische Beständigkeit der Sensoren verbessert. Diese Sensoren eignen sich für extrem harte Anwendungen wie Ultrahochvakuum in der Halbleiterproduktion.

Wirbelstrom-Wegsensoren – Klein, aber leistungsstarke Industriearbeiter

Diese kleinen Sensoren sind ideal für industrielle Umgebungen, wo die Bedingungen härtest und anspruchsvollsten sind, aber extrem präzise Messungen gefordert werden. Sie können in allem eingesetzt werden – von der Messung der Spalten in hydrostatischen Lagern großer Maschinen, dem Spalt zwischen Kolben und Zylinder, bis hin zu Abstandsmessungen an Rollen, die Kunststofffolien führen.

Dieser Artikel wurde von Martin Dumberger, Managing Director, Micro-Epsilon USA (Raleigh, NC) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Dumberger unter This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. oder besuchen Sie hier .