Induktive Wegsensoren nach dem Wirbelstrom-Prinzip

Bild 1: Eines der am häufigsten verwendeten Messprinzipien für Weg- und Abstandssensoren ist die elektromagnetische Induktion, also die wechselseitige Beeinflussung zwischen einem Magnetfeld und einem elektrischen Feld. Bild: Micro-Epsilon

Eines der am häufigsten verwendeten Messprinzipien für Weg- und Abstandssensoren ist die elektromagnetische Induktion, also die wechselseitige Beeinflussung zwischen einem Magnetfeld und einem elektrischen Feld. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion wurde bereits 1831 vom englischen Forscher Michael Faraday entdeckt. Das nach ihm benannte Faradaysche Induktionsgesetz lässt sich auf verschiedene Arten für Sen­soren verwenden.

Verschiedene Sensortypen

Wie bei fast allen Sensoren wird zunächst zwischen schaltenden und messenden Sensoren unterschieden. Schaltende Sensoren erkennen lediglich die Anwesenheit eines Objektes in einem bestimmten Abstand vor dem Sensor und schalten dann einen Ausgang. Typisches Beispiel hierfür sind Näherungsschalter, die etwa in Verpackungsmaschinen oder in Logistik­anlagen eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu liefern messende Sensoren den Abstand zum Objekt als Messwert. Zusätzlich lassen sich die Sensoren noch unterteilen, je nachdem, ob sie das Messobjekt berühren oder ob sie berührungslos arbeiten. So arbeiten LVDT-Sensoren und induktive Mess­taster beispielsweise mit einem mit dem Messobjekt verbundenen ferromagnetischen Stößel, der in ein Magnetfeld eintaucht und dieses dadurch verändert. Das LVDT-Messprinzip (Linear Variable Differential Transformer) ist vergleichbar mit einem Transfor­mator. Eine Primärspule wird mit einer Wechselspannung versorgt. Über einen Kern aus einem ferroelektrischen Material, der im Inneren der Spule beweglich angebracht ist, wird eine Spannung in der Sekundärspule induziert. Diese ändert sich, wenn sich dieser Kern, der mit dem Messobjekt über den Stößel verbunden ist, bewegt, und liefert dadurch ein Maß für dessen Auslenkung.

Wenn das Target, dessen Abstand zum Sensor gemessen werden soll, ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material besteht, können solche Sensoren auch berührungslos aufgebaut werden. Die induzierte Spannungsänderung ist bei diesem Mess­prinzip allerdings nicht linear. Da bei diesen Sensoren üblicherweise keine Linearisierung erfolgt, ist hier mit einer größeren Messungenauigkeit zu rechnen. Nachteil dieses Sensortyps ist außerdem die relativ hohe Temperatur­abhängigkeit, die etwa durch die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität des Ferritkerns verursacht wird.

Bild 2: LVDT-Sensoren und induktive Messtaster arbeiten beispielsweise mit einem mit dem Messobjekt verbundenen ferromagnetischen Stößel, der in ein Magnetfeld eintaucht und dieses dadurch verändert. Bild: Micro-Epsilon

Bild 3: Eine aufwendige 3-Punkt-Linearisierung der Sensoren sorgt für einen sehr geringen Linearitätsfehler, was entscheidend die Gesamtgenauigkeit erhöht. Bild: Micro-Epsilon

Berührungslose induktive Messung

Nach einem etwas anderen Prinzip arbeiten die „eddyNCDT“-Wegsensoren von Micro-Epsilon. NCDT steht dabei für „Non-contact displacement transducer“ – sie arbeiten also ebenfalls berührungslos. Das Sensorprinzip basiert darauf, dass ein veränderliches Magnetfeld einen Wirbel­strom in einem metallischen Material erzeugt. Aufgrund des Wirkprinzips werden diese Sensoren teilweise auch als Wirbelstromsensoren bezeichnet. Nicht zu verwechseln sind die Sensoren allerdings mit dem Wirbelstromverfahren, das in der Werkstoffprüfung gebräuchlich ist.

Im Sensor erzeugt eine Spule, die Teil eines Schwingkreises ist, das Magnetfeld. Ein Ferritkern, wie bei einfachen induktiven Sensoren, ist dabei nicht notwendig. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand innerhalb des Magnetfelds, werden in diesem gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz Wirbelströme erzeugt. Diese bilden wiederum ein Magnetfeld aus, das dem ursprünglichen Feld entgegengerichtet ist und dadurch die Impedanz der Spule ändert. Diese Impedanz-Änderung kann im Schwingkreis mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden und ergibt so ein Maß für den Abstand zum Messobjekt. Die Auswertung dieser Impedanz-Änderung und die Signal­aufbereitung geschehen in einem Controller. Die Methode funktioniert mit allen elektrisch leitfähigen Messobjekten – sowohl aus ferromagnetischen als auch aus nicht-ferromagnetischen Metallen. Da das Signal von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials und von der Geometrie der Messanordnung ab­hängig ist, muss der Sensor für jede Anwendung kalibriert und linearisiert werden. Die entsprechenden Daten für die Kalibration und die Linearisierung werden im Controller abgespeichert. Die berührungslos arbeitenden Wegsensoren werden bevorzugt dann verwendet, wenn keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden sollen oder wenn sehr schnelle Wegände­rungen erfasst werden müssen.

Bild 4: Die induktiven Wegsensoren von Micro-Epsilon sind aktiv temperaturkompensiert und damit unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Bild: Micro-Epsilon

Bild 5: Die Sensoren lassen sich problemlos in einem weiten Temperaturbereich von -40 °C bis +200 °C einsetzen und haben eine Temperaturstabilität von mindestens 0,025 % d.M./°C. Bild: Micro-Epsilon

Bild 5: Die Sensoren lassen sich problemlos in einem weiten Temperaturbereich von -40 °C bis +200 °C einsetzen und haben eine Temperaturstabilität von mindestens 0,025 % d.M./°C. Bild: Micro-Epsilon

Genau und schnell

Mit dem Wirbelstrommessprinzip lassen sich sehr genaue Sensoren rea­lisieren. Die NCDT-Wegsensoren der Reihe eddyNCDT von Micro-Epsilon können auch für Messungen eingesetzt werden, bei denen eine sehr hohe Genauigkeit gefordert ist. Je nach Typ bieten die eddyNCDT-Sensoren Auf­lösungen bis hinunter zu wenigen zehntel Nanometer. Eine aufwendige 3-Punkt-Linearisierung der Sensoren sorgt für einen sehr geringen Linearitätsfehler, was entscheidend zur Gesamtgenauigkeit beiträgt. Die Sensoren sind mit unterschiedlichen Messbereichen von wenigen 100 μm bis 80 mm erhältlich. Auch die Geschwindigkeit der Messung ist sehr hoch. Die mög­liche Messfrequenz hängt von der Frequenz des Schwingkreises ab. Mit den eddyNCDT-Sensoren sind Bandbreiten bis zu 100 kHz möglich. Mit herkömmlichen berührenden induktiven Sensoren sind solche Bandbreiten schon allein deswegen nicht erreichbar, da der Ferritkern sich in den Spulen bewegen muss.

Bild 6: Die induktiven Wegsensoren, die auf dem Wirbelstromprinzip beruhen, sind unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und lassen sich auch in rauer Industrieumgebung einsetzen. Bild: Micro-Epsilon

Bild 7: Typische Anwendungen für die „eddyNCDT“- Sensoren finden sich in Windenergieanlagen. Dort wird unter anderem der Ölspalt zwischen Lager und Welle überwacht. Bild: Micro-Epsilon

Bei so hochgenauen Wegmessungen spielen Temperatureinflüsse natürlich eine Rolle. Diese entstehen entweder durch thermische Ausdehnung von Messkörper und Sensor oder durch eine Temperaturabhängigkeit des Schwingkreises. Die Sensoren von Micro-Epsilon sind aktiv temperaturkompensiert und damit unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Die Sensoren lassen sich problemlos in einem weiten Tem­peraturbereich von – 40 °C bis 200 °C einsetzen und haben eine Tem­peraturstabilität von mindestens 0,025 % d.M./°C.

Sehr kleine Bauform für anspruchsvolle Anwendungen

Die induktiven Wegsensoren, die auf dem Wirbelstromprinzip beruhen, sind unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und lassen sich auch in rauer Industrieumgebung einsetzen. Da die Magnetfelder Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Messobjekte hinter einer isolierenden Schicht verwendet werden. Schmutz, Staub, Feuchtigkeit und Öl beein­flussen das Messergebnis ebenfalls nicht. Selbst unter Wasser liefern die Wirbelstrom-Wegsensoren eine hohe Auflösung. Auch bei hohem Umgebungsdruck bis zu 2000 bar arbeiten die eddyNCDT-Sensoren problemlos, sie lassen sich dadurch auch direkt in Maschinen integrieren. Für solche Anwendungen hat Micro-Epsilon eine spezielle Spulenwicklung entwickelt, die eine sehr kleine Sensorbauform ermöglicht.

Typische Anwendungen für die eddyNCDT-Sensoren finden sich in Windenergieanlagen. Dort muss beispielsweise der Ölspalt zwischen Lager und Welle überwacht werden. Wird dieser zu klein, besteht die Gefahr eines Lagerschadens mit einem damit verbundenen Ausfall der Anlage. Hohe Temperaturen, hoher Druck und die Anwesenheit des Schmieröls zwischen Lager und Welle machen diese An­wendung zum idealen Einsatzgebiet für die induktiven Wirbelstrom-Sen­soren. Auch an der Kupplungsscheibe zwischen Rotor und Generator kommen die eddyNCDT-Sensoren zum Einsatz. Hier überwachen sie die axiale, radiale oder tangentiale Aus­lenkung der Kupplungsscheibe. Auch in dieser Anwendung herrschen raue Umgebungsbedingungen wie Druck, Öl und Temperaturschwankungen. Bei Offshore-Anwendungen ist darüber hinaus mit Salzwasser zu rechnen. Zudem ist der für die Sensoren zur Verfügung stehende Platz sehr klein. Gerade die Miniaturbauform der Sensoren können hier ihre Stärken ausspielen.

Pionier der induktiven Wirbelstrom-Wegsensoren

Micro-Epsilon gilt als einer der Pioniere auf dem Gebiet der induktiven Wegsensoren nach dem Wirbelstromprinzip. Das Unternehmen trägt seit knapp 50 Jahren maßgeblich zur Lösung von Messaufgaben in der Forschung und Entwicklung, an Prüf­ständen, in der Qualitätsprüfung oder in der Maschinen- und Werkzeugüberwachung bei. Es gehörte zu den ersten, die Sensoren auf Basis von induzierten Wirbelströmen zur Marktreife gebracht hat. Mit seinem großen Produktspektrum gehört man zu den Marktführern in diesem Bereich. Für Anwendungen, die mit den Standardausführungen der Sensoren nicht gelöst werden können, können die Sensoren modifiziert werden. Angepasste Bauformen, Mess­objektab­stim­mun­gen, verschiedene Be­festi­gungs­optio­nen, individuelle Kabellängen, abgeänderte Messbereiche oder Sensoren mit bereits integriertem Controller können kundenspezifisch angepasst werden.

Bild 8: Micro-Epsilon bietet ein breites Spektrum an induktiven Sensoren zur Weg-, Abstands- und Positionsmessung. Bild: Micro-Epsilon