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Sep 29, 2023

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01.07.2022 Micro-Epsilon UK Ltd Sowohl Wirbelstromsensoren als auch induktive

01.07.2022 Micro-Epsilon UK Ltd

Sowohl Wirbelstromsensoren als auch induktive Schalter und Wegsensoren haben jeweils ihre jeweiligen Vorteile bei der Messung der Position und Verschiebung von Objekten in rauen Umgebungen. Jüngste Fortschritte beim Design, der Integration, der Verpackung und der Gesamtkostenreduzierung von Wirbelstromsensoren haben diese Sensoren jedoch zu einer viel attraktiveren Option gemacht, insbesondere wenn hohe Linearität, Hochgeschwindigkeitsmessungen und hohe Auflösung entscheidende Anforderungen sind, sagt Glenn Wedgbrow, Business Development Manager bei Micro-Epsilon UK.

Um die inhärenten Vorteile von Wirbelstromsensoren gegenüber induktiven Schaltern und Wegsensoren zu verstehen, ist es wichtig, zunächst das Funktionsprinzip beider Typen zu verstehen.

Der klassische induktive Wegsensor besteht aus einer Spule, die um einen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Bei Anregung durch einen Wechselstrom aus einer oszillatorbasierten Treiberschaltung erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das sich um den Kern konzentriert. Die Flusslinien interagieren mit dem Zielleiter, wenn dieser sich nähert, und erzeugen Wirbelströme, die das Gegenteil des anfänglichen Erregerstroms sind und eine Verringerung der Spannung am Oszillator bewirken. Diese Spannungsschwankungen aufgrund der Änderung des Luftspaltabstands werden erkannt und in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt, beispielsweise eine 4-20-mA-Schleife, und dann vorgelagert verarbeitet, um die Verschiebung zu bestimmen.

Bei einem induktiven Wegsensor ist eine Spule um einen ferromagnetischen Kern gewickelt und wenn ein Wechselstrom durch die Spule geleitet wird, erzeugt er ein Magnetfeld. Die magnetischen Flusslinien interagieren mit einem leitfähigen Objekt, wenn es sich nähert, und erzeugen gemäß den Faradayschen Gesetzen der magnetischen Induktion entgegengesetzte Wirbelströme. Die Wirbelströme drängen gegen den Erregerstrom und verursachen einen Spannungsabfall im Oszillator. Dieser Spannungsabfall wird zur Bestimmung der Verschiebung verwendet.

Ein Näherungssensor, auch Näherungsschalter genannt, ist eine vereinfachte Anwendung der Prinzipien des Induktionseffekts und erkennt nur, ob ein Objekt (das leitfähige Ziel) vorhanden ist oder nicht. Ein Komparator (Schmitt-Trigger) erkennt den Spannungsabfall und sendet ein Signal an einen Verstärker. Dadurch wird der Ausgang wiederum binär geschaltet. Der Ausgang kann je nach Konfigurationswahl des Benutzers normalerweise offen (NO) oder normalerweise geschlossen (NC) sein.

Aufgrund des ferromagnetischen Kerns in einem induktiven Wegsensor ist der Ausgang nichtlinear und muss daher entweder in der Sensorelektronik oder mathematisch mithilfe von Polynomen in der Anlagen- oder Maschinensteuerung linearisiert werden.

Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines ferromagnetischen Kerns sind neben der Nichtlinearität die „Eisenverluste“, die dadurch entstehen, dass der Kern selbst das Magnetfeld absorbiert. Diese Verluste nehmen mit der Frequenz zu, so dass ein induktiver Wegsensor sein Maximum bei etwa 50 Messungen pro Sekunde erreicht.

Ein drittes Problem bei induktiven Wegsensoren ist die schlechte Toleranz gegenüber großen Temperaturschwankungen aufgrund des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ferritkernmaterials. Diese große Schwankung macht die Temperaturkompensation sehr schwierig, was normalerweise zu einer großen thermischen Drift von induktiven Wegsensoren führt.

Wirbelstromsensoren bieten eine verbesserte Präzision

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine bestimmte Klasse von induktiven Wegsensoren namens „Wirbelstromsensoren“ entwickelt, die anstelle eines Ferritkerns eine Luftspule verwenden.

Wirbelstromsensoren nutzen die gleichen Gesetze der magnetischen Induktion wie induktive Weg- und Näherungssensoren. Durch die Verwendung einer Luftspule in Kombination mit fortschrittlichen Elektronik-, Fertigungs- und Kalibrierungstechniken werden sie jedoch in eine viel höhere Leistungskategorie eingestuft.

Während die Funktionsprinzipien des Wirbelstromsensors den Faradayschen Gesetzen entsprechen, wird eher der Effekt der Wirbelströme auf die Impedanz der Spule gemessen als die Spannungsänderung des Oszillators. Der Controller berechnet die Impedanz anhand der Änderung der Amplitude und Phasenlage der Sensorspule.

Hochleistungssensorik mit Wirbelstromsensoren

Während alle oben genannten Sensoren in der Lage sind, Ziele wie Metalle sowie ferromagnetische und nichtferromagnetische Materialien in rauen, berührungslosen Umgebungen zu erkennen, stellen die Architektur des Wirbelstromsensors sowie fortschrittliche Elektronik-, Fertigungs- und Kalibrierungstechniken eine Herausforderung dar leistungsmäßig deutlich höhere Kategorie.

Diese Leistungsmerkmale können in zwei Kategorien unterteilt werden: inhärente Merkmale und Merkmale, die sich aus Produktdesign, Herstellung und Kalibrierung ergeben. Die drei aufregendsten inhärenten Funktionen sind:

Aufgrund der Verwendung einer Luftspule anstelle eines Ferritkerns kann ein Wechselstrom von bis zu 1 MHz verwendet werden, obwohl die Elektronik in Geräten wie dem eddyNCDT3001 und NCDT3005 Messfrequenzen von 5 kHz bereitstellt. Dies ist immer noch zehnmal so viel wie bei ihren Gegenstücken mit induktiver Verschiebung, die typischerweise bei 50 Hz ihren Höhepunkt erreichen (was 50 Messungen pro Sekunde entspricht). High-End-Micro-Epsilon-Wirbelstromsensoren können 100 kHz erreichen.

In Bezug auf Linearität und Temperatur muss sich die Luftspule nicht mit den Flussverlusten auseinandersetzen oder die Wärmeausdehnung eines Ferritkerns kompensieren, sodass sie eine 10-fache Verbesserung der Linearität aufweist. Diese Linearität ist auch das Ergebnis des Herstellungs- und Kalibrierungsprozesses von Micro-Epsilon, bei dem die Spule in einen Ofen gelegt und zwischen -20? und +60 °C. Die Änderungen im Material werden in der Kalibrierungsanordnung im Sensor gespeichert und zur Kompensation von Temperaturschwankungen verwendet. Der Temperaturwechsel des Sensors und die anschließende Speicherung seiner Reaktion, um eine Temperaturkompensation im Feld zu ermöglichen, sind wichtige Schritte während der Herstellung und Produktion. Dies verleiht den Micro-Epsilon-Sensoren eine hohe Stabilität über weite Temperaturbereiche und den gesamten Betriebsbereich.

Während einige induktive Wegsensoren auch über eine in den Sensor integrierte Kompensation verfügen, ist diese normalerweise auf plus oder minus 3 bis 5 Prozent des Vollausschlags (FSO) begrenzt. Wirbelstromsensoren bieten eine Kompensation für den gesamten Messkanal (± 0,025 % FSO). Es ist auch wichtig zu beachten, dass Wirbelstromsensoren im Werk für maximale Genauigkeit auf das Zielmaterial kalibriert werden, was diesen Geräten einen höheren Wert verleiht

Wirbelstromsensoren beseitigen Verpackungs- und Gehäusebeschränkungen

Sowohl Näherungs- als auch induktive Wegsensoren können in massivem Metall (lebensmittelverträglich, hochbeständig) untergebracht werden. Das Funktionsprinzip von Wirbelstromsensoren erfordert die Verwendung einer nichtmetallischen Kappe. Trotzdem sind Micro-Epsilon-Wirbelstromsensoren weiterhin nach IP67 zertifiziert. Darüber hinaus schreitet die Verpackung von Wirbelstromsensoren rasant voran, wobei die Elektronik in das Gerät integriert wird.

Am wichtigsten ist, dass die Produktlinie eddyNCDT 3001 eine neue Klasse von Wirbelstromsensoren darstellt, die in einem M12-Gehäuse mit integriertem Controller und Signalaufbereitungseinheit geliefert werden. Dadurch eignen sie sich wesentlich besser für mechanische Standardformate und -anforderungen und sind eine attraktivere Ersatzoption für induktive Wegsensoren. Der neue eddyNCDT3005 von Micro-Epsilon verfügt über eine separate Kompaktelektronik, die es ermöglicht, viele verschiedene Sensormessbereiche mit kompakter „In-Cable“-M12-Elektronik zu packen. Zu den weiteren Eigenschaften gehört die Widerstandsfähigkeit gegen einen Umgebungsdruck von bis zu 300 bar. Außerdem ist der Spannungsausgang derselbe wie bei induktiven Wegsensoren und deckt den gesamten Bereich von 0,5 bis 9,5 V ab, sodass sie auf einer 1:1-Basis vollständig vergleichbar sind.

Anwendungen und Nutzung

Die hohe Grenzfrequenz von Wirbelstromsensoren ermöglicht die messtechnische Erfassung von Abstandswerten auch in Hochgeschwindigkeitsprozessen wie Werkzeugmaschinen und Kurbelwellen. Durch die Schutzart IP67 können sie auch in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden, in denen Schmutz oder Feuchtigkeit das Messergebnis nicht beeinflussen. Ein klassisches Beispiel ist die Überwachung des Schmierspalts in einem Verbrennungsmotor.

Hohe Präzision, Robustheit, Linearität und Temperaturtoleranz ermöglichen es einem eddyNCDT-Sensor, Parameter wie den Schmierspalt in einem Verbrennungsmotor zu verfolgen.

Kundenspezifische Sensordesigns für spezifische Anforderungen sind möglich, einschließlich spezifischer Zielobjektkalibrierung, Montageoptionen, individueller Kabellängen und geänderter Messbereiche sowie einer Drucktoleranz bis 2.000 bar.

Bei der Verwendung von eddyNCDT-Sensoren muss darauf geachtet werden, dass diese möglichst nahe bei 90? relativ zur Zieloberfläche, um höchste Auflösung und Messgenauigkeit zu erreichen. Manchmal ist eine exakt rechtwinklige Montage des Sensors zum Ziel schwierig oder unmöglich.

Manchmal ist es schwierig, eine rechtwinklige Platzierung zu erreichen, um die höchste Leistung eines Wirbelstromsensors zu erzielen. Ziehen Sie in solchen Fällen die Tabellen des Herstellers zu Rate, um herauszufinden, wie Sie einen entsprechenden Ausgleich erzielen können.

In solchen Fällen weichen die Messwerte geringfügig von den im rechten Winkel erfassten Werten ab. Berücksichtigen Sie daher die Auswirkungen eines geneigten Sensors anhand der Diagramme des Sensorlieferanten. Beispielsweise kann bei einem 4-mm-Sensor und einem Aluminiumziel eine Neigung von ±4 Grad akzeptiert und in den meisten Anwendungen vernachlässigt werden. Beachten Sie bei der Platzierung, dass bei Verwendung eines Luftkerns der Abstand vom Sensorkopf zum Ziel 4 mm oder weniger betragen sollte.

Die kompakten M12-Wirbelstromsensoren werden häufig zur Überwachung der Ölfilmdicke, z. B. in hydrostatischen Lagern, eingesetzt. Die Sensoren messen den Abstand vom metallischen Ziel „durch“ den Ölfilm, um den Ölspalt zu bestimmen.

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Für mehr Informationen, kontaktieren sie bitte:Chris JonesMicro-Epsilon UK Ltd1, Shorelines BuildingShore RoadBirkenheadCheshire CH41 1AUTel: +44 (0)151 355 6070E-Mail: [email protected]: https://www.micro-epsilon.co.uk

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