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Wirbelstromsensoren

Wirbelstromsensoren gehören zur Klasse der berührungslosen Abstandssensoren. Das namensgebende Messprinzip ermöglicht die Bestimmung des Abstands zu leitfähigen Messobjekten. Als Besonderheit dieser Messtechnik nimmt das Vorhandensein von nicht leitfähigen Medien wie Öl, Wasser oder Kühlmittel keinen Einfluss auf das Messergebnis. Dieser Sachverhalt prädestiniert den Wirbelstromsensor für den Einsatz im rauen industriellen Umfeld. Zudem eignen sich Wirbelstromsensoren hervorragend zur Beobachtung dynamischer Vorgänge. Die Wirbelstromsensoren der TX-Serie von eddylab GmbH verfügen über einen hohen Dynamikumfang mit Samplingraten >100 kSa/s und Auflösungen im Submikrometerbereich. Dieser Sachverhalt macht den Wirbelstromsensor zum idealen Begleiter in der Schwingungsmesstechnik und im Bereich Automotive.

Neben Robustheit, hoher Dynamik und Auflösung zeichnen sich die Sensoren der TX-Serie über ein weites Temperaturspektrum aus. Mit einem Einsatzbereich von -60 bis 180°C eignet sich der Wirbelstromsensor beispielsweise für den Einsatz im Verbrennungskraftmotor.


Funktionsprinzip

Das Messelement eines Wirbelstromsensors ist die Spule eines Schwingkreises. Die Sensorspule (Induktivität) und die Leitung (Kapazität) bilden mit der TX-Elektronik einen Schwingkreis. Der aktive Schwingkreis erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, dessen Feldlinien aus der Sensorspule austreten. Dabei erzeugt das magnetische Wechselfeld im elektrisch leitfähigen Objekt Wirbelströme, die ihrer Ursache entgegenwirken. Diese Wirbelstromverluste sind indirekt proportional zum Abstand. Die TX-Elektronik treibt den Schwingkreis an und interpretiert die Wirbelstromverluste als Position.


Sensoren und Temperaturverhalten

Das messende Element in der Wirbelstrommessung muss härtesten Bedingungen standhalten. Zu diesen zählen der Einsatz unter hoher Temperatur und hohem Druck, unter Öl und Kühlmitteln, im Bereich elektromagnetischer Felder sowie alle denkbaren Kombinationen. Insbesondere die Temperatur stellt enorme Anforderungen an die verwendeten Materialien und Verarbeitungstechniken. So werden unsere Sensoren vor der Werkskalibrierung einer zwölfstündigen Temperaturbehandlung unterzogen. Der zulässige Temperaturbereich unserer Sensoren liegt zwischen -60°C und 180°C. In diesem Temperaturbereich bewegen sich die Temperaturkoeffizienten größenordnungsmäßig im Bereich ±0.05 % v. MB/K (Abbildung 3). Im technisch relevanten Bereich von Umgebungstemperatur bis 120°C - typisch für sämtliche ölgeschmierten Getriebe- und Motorkomponenten - liegt der Temperaturkoeffizient bei ca. ±0.03 % v. MB/K.


Abb. 3: Temperaturkoeffizient als Funktion von Position und Temperatur


In extremen Anwendungen wie bei der Beobachtung von Bremsscheiben, bieten wir auch Spezialsensoren mit integrierter Wasserkühlung.

Alle Sensoren erfüllen die Schutzart IP68. Für Anwendungen unter hohem Druck und aggressiven Medien, bieten wir gerne Sonderbauformen mit Keramikkomponenten und weiterführenden Schutzfunktionen. Moderne und hochfunktionelle Baugruppen erfordern nicht selten kompakte Sensoren. Kreative Sonderbauformen gehören zu unserem Spezialgebiet - wir liefern Sonderanfertigungen auch bei geringen Stückzahlen bis hin zum Einzelstück.

TX-Elektronik und Schnittstellen

Abb. 4: TX-Elektronik
 


Die stromsparende Treiberelektronik ist das Herzstück in der Wirbelstrommessung. Das 16bit-System treibt den Schwingkreis an, wertet den Abstand zum Messobjekt aus und bietet insgesamt fünf Schnittstellen. Die TX-Elektronik wird versorgt mit 11..36 VDC bzw. 11..27 VDC in der Ref-Version. Der Temperaturkoeffizient der Elektronik ist -0.025 % v. MB/K, die maximale Betriebstemperatur liegt bei 50°C. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme liegt bei 4W. Zur Anpassung an die vorliegende Messaufgabe kann die Eckfrequenz eines digitalen Tiefpassfilters angepasst werden. Die Samplingrate beträgt 70 kSa/s in der Zweikanalversion und 124 kSa/s in der Einkanalversion. Mit 124 kSa/s sind damit sogar Messungen im unteren Ultraschallbereich möglich. Die maximalen Samplingraten (70 kSa/s und 124 kSa/s) sind verfügbar für die analogen Ausgänge 0..10 V und 4..20 mA.

Neben den analogen Schnittstellen können die Positionsdaten auch über USB und den CAN-Bus ausgegeben werden. Die Samplingraten an der USB-Schnittstelle sind 22.5 kSa/s in der Zweikanalversion und 38 kSa/s in der Einkanalversion. Durch die enorm weite Verbreitung von USB kann das TX-System sehr preisgünstig an jeden PC angeschlossen werden. In Verbindung mit eddylab kann ohne weiteres Zubehör auch sofort Schwingungsanalyse und Datenaufzeichnung betrieben werden.

Als weitere digitale Schnittstelle steht der CAN-Bus zur Verfügung. Dieser eignet sich besonders für Messaufgaben mit mehreren TX-Systemen bei räumlicher Verteilung - alle Geräte kommunizieren über ein Kabel. Die erzielbare Dynamik ist damit abhängig von der Teilnehmerzahl auf dem CAN-Bus. Durch den Gebrauch eines Kabels für alle Teilnehmer, anstatt je eines Analogeingangs pro Messstelle können erheblich Kosten eingespart werden. Damit stellt der CAN-Bus bei Messaufgaben mit endlicher Dynamik und mehreren Messstellen eine kostengünstige und robuste Alternative zur analogen Schnittstelle dar.

Die TX-Elektronik ist außerdem mit Referenzeingang erhältlich. An diesen optionalen Zählereingang (A/B Pulse) kann ein Messtaster oder Drehgeber angeschlossen werden. Wird ein Messtaster angeschlossen, so kann dieser als Referenzsystem verwendet werden. Die Notwendigkeit eines kompakten und dennoch genauen Referenzsystems an der TX-Elektronik, ist bedingt durch das materialabhängige Genauigkeitsverhalten von Wirbelstromsensoren. Mittels digitalem Messtaster kann die Genauigkeit eines Wirbelstromsensors vor Ort geprüft und korrigiert werden (erfahren Sie hier mehr zur Linearisierungs-Funktion).

Anstatt eines Messtasters kann auch ein Drehgeber angeschlossen werden. Diese Erweiterung eignet sich für die Beobachtung rotierender Systeme. Mit dem Drehgeber - gekoppelt an eine Welle - wird der Drehwinkel oder die Drehzahl bestimmt. Das TX-System synchronisiert das Positionssignal und das Drehgebersignal. Diese Funktion ist Grundvoraussetzung für das Modul Wasserfall Rpm.

 

eddylab

eddylab ist ein Analyse- und Konfigurationswerkzeug für Windows, das in Verbindung mit der TX-Elektronik verwendet wird. Die Kommunikation ist USB-basiert. Das Anwendungsspektrum teilt sich in die Bereiche Visualisierung und Dokumentation mechanischer Schwingungen und der vor Ort Linearisierung von Wirbelstromsensoren.

eddylab als Analysewerkzeug

eddylab ist aufgebaut als universal einsetzbares Analysewerkzeug zur Darstellung der Messwerte der TX-Elektronik. Da die Anforderungen im Bereich der Messdatenaufzeichnung verschiedenster Natur sein können, ist auch eddylab in verschiedene Module gegliedert. Durch die verschiedenen Module können sowohl sehr schnelle als auch langsame Vorgänge aufgezeichnet werden. Neben dem Zeitbereich können die Messdaten auch im Frequenzbereich dargestellt werden. Die zugrunde liegenden Samplingraten der TX-Elektronik sind 22.5kSa/s in der Zweikanalversion und 38kSa/s in der Einkanalversion.

Das Oszilloskop ist das ideale Werkzeug zur Analyse dynamischer Abläufe. Wie der Name schon sagt, ist das Modul einem klassischen Oszilloskop sehr ähnlich. So wird der Umgang mit dem Modul für viele Anwender zum Kinderspiel, da Oszilloskope sehr weit verbreitet sind. Zudem eignet sich der Funktionsumfang hervorragend zur Beobachtung dynamischer Vorgänge. eddylab ersetzt die Spannung beim klassischen Oszilloskop durch die Position der TX-Elektronik. Im Allgemeinen können sowohl periodische als auch nichtperiodische Signalverläufe aufgezeichnet werden. Im Trigger-Modus erfolgt die Datenaufzeichnung ereignisbasiert. So kann beispielsweise der Signalverlauf in einem definierten Zeitfenster, vor und nach dem Überschreiten eines Schwellwertes festgehalten werden. Abbildung 5 zeigt die ereignisbasierte Datenaufzeichnung beim Anschlagen einer Stimmgabel. Eine weitere bekannte und sehr nützliche Funktion ist die AC-Kopplung. Hier wird anstatt der absoluten Position nur die Änderung dargestellt (der Positionswert schwingt um Null). Diese Funktion eignet sich besonders zur Darstellung von Schwingungen mit kleinen Amplituden. Weiterhin erfolgt stets die Messung von Frequenz, Amplitude und Extremwerten. Aufgezeichnete Signalverläufe können als Bild und Text-Datei exportiert werden. Hier gelangen Sie zu unserem Oszilloskop-Video.


Abb. 5: Anschlagen einer Stimmgabel


Das Spektrum (FFT) macht sämtliche Schwingungskomponenten im Positionssignal der TX-Elektronik sichtbar. Dies ermöglicht die Visualisierung von Grund- und Oberschwingungen. In der Einkanalversion erstreckt sich der Frequenzbereich bis 19 kHz. Damit ist der akustische Bereich weitgehend gedeckt. Abbildung 6 zeigt das Frequenzspektrum einer obertonarmen Stimmgabel. Neben der Visualisierung werden die Schwingungskomponenten bis zu einem definierten Grenzwert auch ausgewertet. Deutlich zu erkennen ist die Hauptschwingung mit 49 µm, als auch die zweite und dritte harmonische Schwingung mit 250 nm bzw. 100 nm. Wie beim Modul Oszilloskop kann das Spektrum als Bild- und Text-Datei exportiert werden. Hier gelangen Sie zu unserem FFT-Video.


Abb. 6: Spektrum einer Stimmgabel


Wasserfall und Wasserfall Rpm sind dreidimensionale FFTs. Beim Wasserfall ist das klassische FFT um eine Zeitachse erweitert. Das Spektrum kann entlang der Zeitachse beobachtet werden. Diese Darstellung hebt sehr kleine Schwingungskomponenten gegenüber dem Grundrauschen hervor. In der zweidimensionalen Darstellung können sehr kleine Peaks leicht übersehen werden, insbesondere wenn diese im zeitlichen Verlauf abklingen und wieder auftauchen. Abbildung 7 verdeutlicht diesen Effekt. Der Wasserfall zeigt das Spektrum einer Stimmgabel für 28 sec nach dem Anschlagen. Der Graph zeigt deutlich, dass die Schwingungen bei 881 Hz und 1320 Hz verschwinden und wieder auftauchen.


Abb. 7: Zeitliches Wasserfalldiagramm einer Stimmgabel


Beim drehzahlbasierten Wasserfall ist das klassische FFT um eine Drehzahlachse (Rpm) einer rotierenden Welle erweitert. Grundvoraussetzung für diese Funktion ist ein inkrementaler Drehgeber an der rotierenden Welle. Das TX-System synchronisiert das inkrementale Signal mit der Position der Wirbelstromsensoren. Die Korrelation von Drehzahl und FFT erzeugt ein charakteristisches dreidimensionales Diagramm. Diese Darstellung kann genutzt werden, um den Zustand eines rotierenden Systems abhängig von Last, Öldruck, Verschleiß u.ä. zu charakterisieren. Dies ermöglicht den Vergleich einer Maschine zu verschiedenen Zeitpunkten und variablen Bedingungen. Abbildung 8 zeigt den drehzahlbasierten Wasserfall einer Welle mit einer Resonanzfrequenz bei 6000 rpm. In Bereich der 6000 rpm steigt die Amplitude aus beiden Richtungen an.


Abb. 8: Drehzahlbasiertes Wasserfalldiagramm eines überkritischen Rotors.


Sowohl beim zeit- als auch beim drehzahlbasierten Wasserfall werden die Frequenzen und zugehörigen Amplituden in einer Analyseebene ausgewertet. Die Ebene kann entlang der Zeit- bzw. Drehzahlachse verschoben werden.

 

eddylab als Linearisierungswerkzeug

Die mobile Linearisierung ist eines der wichtigsten und modernsten Features der TX-Elektronik. Die Notwendigkeit einer mobilen Linearisierung begründet sich wie folgt. Bekanntermaßen ist das Genauigkeitsverhalten von Wirbelstromsensoren stark abhängig vom Targetmaterial und der Einbausituation des Sensors. Materialwechsel können Skalierungsfehler von 20% und mehr, sowie Linearitätsfehler von 7% und mehr zur Folge haben. Ein weiterer Effekt der sich deutlich auf die Genauigkeit auswirkt, ist die Vorbedämpfung. Der Einfluss der Vorbedämpfung muss vor allem dann berücksichtigt werden, wenn der Sensor in beengter Umgebung eingesetzt wird. Diese Fehlerquelle ist auf die geometrische Form des messenden elektromagnetischen Feldes zurückzuführen. Die Grundfunktion eines Wirbelstromsensors ist die eindimensionale Abstandsmessung, basierend auf einem dreidimensionalen elektromagnetischen Feld. Falls dieses Feld mit messtechnisch nicht relevanten Objekten kollidiert, entstehen erhebliche Fehler. Diesen Effekt nennt man Vorbedämpfung. Messtechnisch nicht relevante Objekte können Schrauben, Absätze auf Wellen oder Nuten sein. Der durch Vorbedämpfung verursachte Fehler ist schwer vorherzusagen, aber meistens höher als erwartet. Abbildung 9 zeigt das wirbelstromtypische Fehlerverhalten durch Materialwechsel und Vorbedämpfung.


Abb. 9: Typisches Fehlerverhalten bei Wirbelstromsensoren.


Das TX-System in Verbindung mit eddylab eliminiert diese Fehler durch eine Linearisierungsfunktion. Wesentlicher Bestandteil dieser Methode ist ein digitaler Messtaster, der als Referenzsensor am TX-System angeschlossen wird. Mit dem Messtaster kann der bestehende Fehler sowohl ermittelt, als auch behoben werden. Die Linearisierung erfolgt über eine benutzerdefinierte Anzahl von Stützstellen (maximal 50). Insgesamt können vier Linearisierungskurven auf dem TX-System gespeichert werden. Die Zählerschnittstelle verfügt außerdem über eine Stromversorgung. Unter Zuhilfenahme eines Messtasters können die Sensoren des TX-Systems somit vor Ort kalibriert und linearisiert werden. Der Profit für den Kunden liegt auf der Hand: Zum einen können Wirbelstromsensoren ohne Rücksendung für unterschiedliche Materialien verwendet werden. Und zum anderen können bestehende Anordnungen vor Ort mit einem Höchstmaß an Präzision überprüft werden.

Die Messtaster der DK-Serie haben eine Auflösung von 100 nm und eine Genauigkeit von 0.5 µm auf 10 mm. Der Klemmdurchmesser des Tasters beträgt 8 mm. Mit der Kombination aus Präzision und Kompaktheit eröffnet der DK-Taster ein weites Einsatzspektrum.

Durch unsere handliche Kalibriervorrichtung (Abbildung 10) mit nur 1.1 kg, wird die mobile Linearisierung zum Spaziergang. Die elegante Linearführung wird händisch über eine Mikrometerschraube verstellt. Der zurückgelegte Weg wird hochgenau vom DK-Taster aufgezeichnet. Wirbelstromsensor und Taster sind präzise zueinander ausgerichtet. Unterschiedliche Materialien können mit einem Schnellverschluss im Handumdrehen gewechselt werden. Das Resultat ist eine Kalibrierung vor Ort mit einer Genauigkeit in der Größenordnung unserer laserinterferometrischen Werkskalibrierung.


Abb. 10: Tragbare Lineareinheit mit DK-Taster,
Wirbelstromsensor und 50x50mm Target

Weiterführende Links

Für weitere Informationen schauen Sie in unser Datenblatt, die CAN-Bus-Dokumentation oder unser eddylab manual.
Auf unserem YouTube Account finden Sie Animationen, die die Funktionen unserer Software veranschaulichen.

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