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. Für die Anforderungen, die in Prüfständen gelten, werden häufig Wirbelstromsensoren eingesetzt – wie vom Messtechnik-Unternehmen Micro-Epsilon.

Wirbelstromsensoren werden in anspruchsvoller Umgebung eingesetzt – sie leisten dabei Mikrometer-Präzision.

Wirbelstromsensoren werden in anspruchsvoller Umgebung eingesetzt – sie leisten...

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. Doch wie funktioniert ein Wirbelstromsensor?

Die 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 bildet. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin Wirbelströme. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt 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 – auch noch bei hohen Temperaturen bis 320° C. Alle Wirbelstromsensoren sind unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck und daher für ein schwieriges, industrielles Umfeld 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

Der Schweißprüfstand der TU Braunschweig prüft die Nahtgüte bei sich bewegenden Nahtflanken.

Der Schweißprüfstand der TU Braunschweig prüft die Nahtgüte bei sich bewegenden...

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.

Wegen der besonders hohen Robustheit wurde das Wegmesssystem von Micro-Epsilon ausgewählt. Der Sensor der Serie eddyNCDT besitzt einen Messbereich von 4 mm und sorgt mikrometergenau für einen kontrollierten Ablauf der Nahtflankenbewegung. 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. Aufgrund der positiven Erfahrungen mit Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon in bereits existierenden Prüfständen 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 max. 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 z. B. die Sekundärbewegung der Kolben bei den verschiedenen Arbeitstakten gemessen. Werden die Sensoren an anderer Stelle im Motorgehäuse verbaut, kann das „Atmen“ der Zylinderkopfdichtung während des Arbeitstaktes getestet werden. 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 2.000 bar und Kontakt mit Kraftstoffen, Ölen oder Kraftstoff-Luft-Gemischen.

Resümee

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 Selbstverständlichkeit vorausgesetzt wird. Diese Forderung ist nur mit entsprechender, mechatronischer Kompetenz für die Gesamtanlage zu erreichen – in diesem Marktsegment ein Entscheidungsmerkmal.

Wirbelstromsensoren werden in anspruchsvoller Umgebung eingesetzt – sie leisten dabei Mikrometer-Präzision.

Der Schweißprüfstand der TU Braunschweig prüft die Nahtgüte bei sich bewegenden Nahtflanken.