Berührungslose Wegmessung für knifflige Automatisierungsaufgaben

Kontaktlose Präzision

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Oft sind Wegsensoren der Schlüssel für die Lösung einer kniffligen Automatisierungsaufgabe oder Maschinenkonstruk-tion. In der Praxis wird die Messgröße „Weg“ häufig in Synonymen ausgedrückt wie Schwingung oder Spiel. Diese lassen sich auf eine Weg- oder Abstandsänderung zurückführen und mit oder ohne mechanische Berührung des Objektes messen. Berührungslose Wegsen-soren finden dann Einsatz, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, empfind-liche Oberflächen vor-liegen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.

Der Autor Dipl.-Phys. Johann Salzberger ist Geschäftsführer Marketing und Vertrieb der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, Ortenburg

Wegsensoren lösen eine unglaubliche Vielfalt an Mess-, Prüf- und Automatisierungsaufgaben. Viele sind in der Forschung und Entwicklung, der Automatisierung, der Qualitäts-prüfung oder in der Maschinen- und Werkzeugüberwachung zu finden, also dort, wo sehr hohe Anforderungen an die Leis-tungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren gestellt werden. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit, Temperaturstabilität, Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Bereits das Festlegen auf ein bestimm-tes physikalisches Messprinzip stellt die Weichen für den späteren Erfolg. Nicht selten sind die Sensoren der Schlüssel für die Lösung einer kniffligen Automatisierungsaufgabe oder komplexen Maschinenkonstruktion.
In der Praxis wird meist nicht mehr vom „Weg“ gesprochen, sondern die Messgrößen werden in vielen Synonymen ausgedrückt wie Schwingung, Auslenkung, Spiel, Position, Verkippung, Ebenheit, Profil, Verformung, Spalt, Hub, Rundheit, Dicke, Verschiebung oder Dimension. Diese Größen lassen sich auf eine Weg- oder Abstandsänderung zurückführen und abhängig von den Randbedingungen mit oder ohne mechanische Berührung des Objektes messen.
Eine der besonderen Stärken von Micro-Epsilon sind be-rührungslos arbeitende Wegsensoren. Diese kommen immer dann zum Einsatz, wenn
– schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen
– keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen
– hochempfindliche Oberflä-chen eine Berührung nichtzulassen oder
– eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.
Micro-Epsilon bietet für unterschiedliche physikalische Mess-verfahren leistungsfähige Produkte in großer Bandbreite an.
Das Wirbelstromprinzip
Das Wirbelstromprinzip beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis, die zur Induktion von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen metallischen Messobjekt erforderlich ist. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme ist gemäß derLenz’schen Regel dem Erregerfeld entgegengerichtet. Der herbeigeführte Energieentzug bewirkt eine Änderung des Wechselstromwiderstandes der Sensorspule als Funktion des Abstandes zum Messobjekt.
Klassische Vertreter sind die berührungslosen Wegsensoren der Multi NCDT-Reihe. Die Serien 100, 300 und 500 sind Ausführungen mit Kompakt-elektronik, modularer Einka-nalelektronik oder modularem Mehrkanalaufbau in 19“-Technik. Sie arbeiten mit ausgefeilter Signalaufbereitungselektronik und elektronischer Linearisierung. Wichtig ist die Tempera-turabhängigkeit des Wirbel-stromeffekts. Die Multi NCDT-Reihe liefert dank Temperaturkompensationsverfahren sehr gute Stabilitätswerte und unterstreicht damit die Technologieführerschaft dieses Messverfahrens.
Weltweite Anerkennung finden die Miniatur-Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon. Mit 2 mm Frontdurchmesser, 4 mm Baulänge und 0,5 mm Kabeldurchmesser eignet sich dieser sehr kleine Wirbelstromsen-sor ideal für den Einsatz im Verbrennungsmotor. Er misst Kolben- und Kolbenringbewegung, Wellenbahn, Verlagerung, Schwingungen und Ölfilmdicke. Bei einem Messbereich von 500 µm erreicht er eine Linearität von 1 µm und eine Auflösung bis 20 nm.
Die neueste Entwicklung ist ein nur etwas größerer Wegsen-sor mit Keramikgehäuse und O-Ringdichtung für den Einsatz unter hohen Drücken. Druckbelastungen von über 1000 bar oder kurzzeitige Druckspitzen von 2 000 bar wurden erfolgreich absolviert. Damit ist das Model bestens geeignet zum Messen des Düsennadelhubs in Dieselinjektoren.
Kapazitive Wegmessung
Das Prinzip der kapazitiven Wegmessung basiert auf der Wirkungsweise des idealen Plattenkondensators. Eine Abstandsverschiebung der Platten bewirkt eine Änderung der Gesamtkapazität. Sensor und Messobjekt bilden bei einem Wegsensor-System die beiden Plattenelektroden.
Folgende Merkmale sind bei der Wahl für kapazitive Wegsensoren entscheidend:
– Die Sensoren messen bei Metallen als Messobjekt material-unabhängig. Das heißt Empfindlichkeit, Linearität und Temperaturstabilität sind für alle Metalle gleich
– Thermisch bedingte Leitfähigkeitsänderungen des Messobjekts bewirken keine Änderung des Messsignals. Die Folge ist eine hohe Temperaturstabilität
– Aufgrund hoher Langzeitstabilität ist der Kalibrieraufwand gering
– Die Sensoren lassen sich sehr gut den Geometrien des Mess-objekts und des Einbauraumes anpassen.
Mit dem Capa NCDT-System werden Sensoren für Messbereiche von 50 µm bis 30 mm angeboten. Die beste erzielbare Auflösung liegt bei 0,1 nm. Die Linearitätsabweichung beträgt 0,2 % des Messbereichs. Die Grenzfrequenz von 6 kHz (-3 dB) erlaubt auch die präzise Messung von dynamischen Vorgängen.
Das Triangulationsprinzip
Typische Vertreter für das laseroptische Messverfahren sind die berührungslosen Wegsensoren der Opto NCDT-Reihe. Sie nutzen das Triangulationsprinzip und messen Abstände gegen viele Materialien. Eine Laser-diode projeziert einen sichtbaren Lichtpunkt auf die Messobjekt-oberfläche. Über eine Empfangsoptik wird dieser Punkt in einem spitzen Winkel betrachtet und auf einer CCD-Zeile abgebildet. Die Messwerte werden digital über einen schnellen Signalprozessor verarbeitet. Ausgegeben werden die Daten sowohl als Analogwert als auch über eine serielle Schnittstelle.
Das Tochterunternehmen von Micro-Epsilon, die Micro-Optronic-Messtechnik GmbH, Langebrück, hat sich auf Laser-Wegsensoren mit CCD-Technologie spezialisiert. Eine breite Palette an Modellserien und Messbereichen deckt ein umfangreiches Anwendungsspektrum ab.
Laseroptische Wegsensoren auf Triangulationsbasis der Reihe Opto-NCDT sind durch folgende Vorteile gekennzeichnet:
– punktförmige Messung durch kleinen Messfleckdurchmesser
– großer Grundabstand und damit Montage des Sensors in größerem Abstand zum Mess-objekt
– der sichtbare Laser gibt Hilfestellung bei der Montage und Ausrichtung des Sensors
– Real-time-Anpassung an sich rasch ändernde Oberflächenbeschaffenheiten und sehr gute Kompensation dieser Einflüsse.
Beim Auswählen berührungsloser Wegsensoren für spezifische Messaufgaben, insbesondere mit hohen Genauigkeitsanforderungen, sind deren charakteristischen Merkmale entscheidend. Auch die Umsetzung des Mess-prinzips in einen anwendungstauglichen Wegsensor oder ein komlettes Sensorsystem spielt eine entscheidende Rolle. Bei Micro-Epsilon stehen heute über 600 Mannjahre kumulierte Ingenieurerfahrung in der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von Wegsensoren zur Verfügung.
Ausführliche Informationen
Wegsensoren der MultiNCDT-Reihe
KEM 445
Miniatur-Wirbelstromsensoren
KEM 446
Wegsensor mit Keramik-gehäuse und O-Ring-dichtung
KEM 447
Capa NCDT-System
KEM 448
Wegsensoren der Opto NCDT-Reihe
KEM 449
Laser-Wegsensoren ILD 2000/2200
KEM 450
Internet
Laser-Wegsensoren Serie Opto-NCDT 2000
Spitzenmodelle der Laser-Wegsensoren ist die Serie ILD 2000/2200.
Technische Daten:
– Messbereiche: 5, 10, 20, 40, 100, 200 mm
– Linearität: ± 0,03 % des Messbereichs (d.M.)
– Auflösung: 0,005 % d. M. bei 10 kHz
– Messrate: 10 kHz
– Ausgang analog: ± 5 V
– Ausgang digital: RS 485
– schnelle CCD-Technolgie.
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