Inhaltsverzeichnis
1. Überwachung der Oberflächentemperatur
2. Messaufgabe im Vakuum
3. Das Messprinzip
4. Komplettlösungen aus einer Hand
Der Hyperloop ähnelt dem Prinzip der Rohrpost: Elektrisch getriebene Transportkapseln werden mittels Solarenergie auf Luftkissen durch eine Röhre mit Teilvakuum befördert. Die ursprüngliche Idee dazu ist nicht neu, sie wurde bereits im Jahr 1812 durch George Medhurst vorgestellt. Elon Musk, bekannt durch seine Teilhabe am Onlinebezahlsystem Paypal sowie seine Erfolge mit dem Elektroautohersteller Tesla und dem privaten Raumfahrtunternehmen SpaceX, verfolgt diese Idee der schnellen Fortbewegung. Laut ihm ist es möglich, auf Strecken bis 1500 km deutlich schneller als mit dem Flugzeug und gleichzeitig billiger als mit der Bahn zu reisen. Im Juni 2015 wurde deshalb ein Wettbewerb unter dem Namen SpaceX Hyperloop Pod Competition veranstaltet, um die Entwicklung des Hyperloop zu beschleunigen.
Studenten der Technischen Universität München waren bereits bei diesem ersten internationalen Wettbewerb dabei. Die Teams sollten funktionstüchtige Kapseln, sogenannte Pods, konzipieren und sie der Fachjury vorstellen. Von über 700 Bewerberteams wurden im Januar 2017 lediglich 30 dazu eigenladen, ihre Kapseln in der von SpaceX gebauten, 1,2 km langen Röhre in Kalifornien zu testen. Nach weiteren bestandenen Funktionsprüfungen durfte das Warr-Hyperloop-Team der Technischen Universität München als eines von nur drei Teams seine Kapsel durch die Röhre schicken. Nur die Münchner Kapsel schaffte es am Ende ins Ziel und gewann den Hauptpreis für den schnellsten Hyperloop Pod, an dem mehr als 32 Studenten Entwicklungsarbeit leisten. Und auch den zweiten sowie den dritten Hyperloop-Contest in Los Angeles im Sommer 2017 und 2018 konnten die Studenten für sich entscheiden. Sie erreichten dabei 2017 einen Top-Speed von 324 km/h und 2018 sogar 467 km/h.
Überwachung der Oberflächentemperatur
Mit an Bord des Hochgeschwindigkeitstransports sind Miniatur-Infrarot-Temperatursensoren der Bauform Thermometer CSmicro von Micro-Epsilon. Ihre Aufgabe ist die Überwachung der Oberflächentemperatur des polyurethanbeschichteten Antriebsrades sowie der zehn ebenfalls beschichteten Laufräder. Das Antriebsrad hat einen Radius von 80 mm und erreicht bei Maximalgeschwindigkeit eine Drehzahl von 12 000 Umdrehungen pro Minute. Die Laufräder haben einen Radius von 25 mm und halten das Fahrzeug in der Schiene. Die Oberflächentemperatur muss während der Fahrt und auch auf dem internen Teststand überprüft werden, um die Haltbarkeit der Räder sicherzustellen und deren Verschleiß zu kontrollieren. Dabei sollte die Polyurethanbeschichtung der Räder nicht heißer als 120 °C werden. Mit diesen Werten ist es zudem ebenfalls möglich, Grenzbereiche und Dauerlasten auszuwerten sowie gegebenenfalls Verbesserungen vorzunehmen.
Um die Oberflächentemperatur der Räder exakt bestimmen zu können, ist der Temperatursensor Thermometer CSmicro etwa 75 mm über der Oberfläche des Antriebsrades fest angebracht. Dadurch ergibt sich auf jedem Rad ein mittig platzierter, kreisförmiger Messfleck von 7 mm Durchmesser mit hoher räumlicher Auflösung, der zur exakten Bestimmung der Temperatur ausreicht.
Messaufgabe im Vakuum
Die Herausforderung für diese Messaufgabe liegt in der hohen Drehzahl kombiniert mit den schwierigen thermischen Bedingungen im Vakuum. Derart hohe Drehzahlen machen eine berührende Messung unmöglich. Daher kommen berührungslose Sensoren zum Einsatz, die dazu die extremen Bedingungen im Vakuum aushalten sowie gleichzeitig präzise und verlässliche Messwerte liefern müssen. Da im Vakuum keine Wärmeleitung durch Konvektion möglich ist, die Komponenten also nicht durch die Umgebungsluft gekühlt werden können, dürfen die Sensoren außerdem nur möglichst wenig Verlustwärme erzeugen.
Das Thermometer CSmicro ist ein Temperatursensor, der alle erforderlichen Bedingungen dieser anspruchsvollen Messaufgabe erfüllt. Der Miniatursensor lässt sich durch seine geringen Abmessungen gut in beengte Bauräume einpassen. Er verfügt über einen Durchmesser von 14 mm, eine Länge von 28 mm und ist mit einem M12-Feingewinde versehen. Der Controller wurde direkt in das Kabel integriert. Des Weiteren produziert der Sensor durch seinen geringen Stromverbrauch von nur 9 mA wenig Verlustwärme und gibt folglich kaum Wärme im Vakuum ab. Des Weiteren ist der Messkopf abgesetzt, sodass Sensor und Elektronik getrennt voneinander platziert werden können, wodurch die Elektronik nicht der direkten Hitze in der Umgebung des Messobjektes ausgesetzt ist. Der Sensor selbst lässt sich ohne Kühlung bei Umgebungstemperaturen von bis zu 120 °C einsetzen, während sich der Messbereich von -40 °C bis +1030 °C erstreckt. Die beschichtete Siliziumoptik macht ihn robust und unempfindlich. Darüber hinaus verfügt der Sensor über einen skalierbaren Analogausgang sowie einen simultanen Alarmausgang und bietet außerdem die Möglichkeit digitaler und analoger Anschlüsse. Eine digitale Programmierung, die erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bietet, ist ebenfalls möglich. Martin Riedel vom Warr-Hyperloop-Team der Technischen Universität München zeigt sich äußerst zufrieden mit der Sensorlösung von Micro-Epsilon: „Der CSmicro bietet eine sehr kompakte Einheit, um die Oberflächentemperatur genau zu vermessen. Analoge wie auch digitale Anschlüsse halten uns auf unserer Anschlussseite sehr flexibel“.
Das Messprinzip
Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C (0 Kelvin) sendet an der Oberfläche eine seiner Eigentemperatur proportionale elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Eigenstrahlung aus, ganz gleich ob es sich um Eis oder heißen Stahl handelt. Ein Teil dieser Strahlung ist Infrarotstrahlung, die zur Temperaturmessung verwendet werden kann. Sie durchdringt die Atmosphäre und wird im Infrarot-Messsystem mittels einer Linse (Eingangsoptik) auf ein Detektorelement fokussiert, welches ein der Strahlung proportionales elektrisches Signal erzeugt. Das Signal wird verstärkt und mittels nachfolgender digitaler Signalverarbeitung in eine der Objekttemperatur proportionale Ausgabegröße umgesetzt. Der Messwert kann dann auf einem Display angezeigt oder als analoges Signal ausgegeben werden, welches einen einfachen Anschluss an Regelsysteme der Prozesssteuerung ermöglicht. Bei der Infrarot-Temperaturmessung kommt es vor allem auf die drei Faktoren Emission, Transmission und Reflexion an. Der Emissionsgrad eines Körpers gibt beispielsweise an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem schwarzen Körper, abgibt. Optimale Temperaturmessungen können bei Wellenlängen durchgeführt werden, bei denen der Transmissionsgrad unabhängig von der Dicke annähernd Null ist. Polyurethan, Polyester Teflon, FEP und Polyamid beispielsweise sind bei 7,9 µm undurchlässig.
Komplettlösungen aus einer Hand
Micro-Epsilon versteht sich als Komplettanbieter, der die passende Messtechnik für zahlreiche Branchen bereithält. Im Portfolio der Infrarot-Temperatursensoren befinden sich Pyrometer wie auch Infrarotkameras. Je nach Anwendung sind diese Punkt- und Flächensensoren miteinander kombinierbar, wodurch ein hoher Qualitätsanspruch bei außergewöhnlichen Applikationen, aber auch im regulären Produktionsprozess möglich wird. Produktübergreifende Beratung, Bezug und alle Serviceleistungen erfolgen bequem aus einer Hand.
Infrarot-Temperatur-Sensoren der Baureihe Thermometer sind modular aufgebaut und für ein breites Anwendungsspektrum in der berührungslosen Temperaturmessung ausgelegt. Von niedrigen Temperaturen, die in Kühlketten oder Laboren vorherrschen, bis zu hohen Temperaturen in Schmelzen und Hochöfen messen Infrarotsensoren präzise und zuverlässig. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise werden sie in Anwendungen mit beschränktem Bauraum integriert – beispielsweise im Maschinenbau, im Kleinstapparatebau oder in OEM Anwendungen mit Mehrfach-Infrarot-Messstellen. Alle Modelle der Thermometer-Produktgruppe bieten kurze Ansprechzeiten, eine hohe Genauigkeit sowie eine hohe Auflösung. Besonders geeignet sind die Infrarotsensoren von Micro-Epsilon für bewegte, stromführende oder auch kleine Objekten und dabei speziell bei temperaturkritischen Anwendungen. Des Weiteren liefern sie auch bei Chemikalien, im Vakuum oder anderen abgeschlossenen Umgebungen präzise Ergebnisse. Vermessen werden beispielsweise Dichtungen in einer Vakuum-Pumpe, Silikonwafer in der Verarbeitung unter Vakuum sowie Plasmabeschichtungen im Vakuum oder bei Niederdruckplasmen, die etwa zur Herstellung von Brillen oder Objektiven, in der Automobiltechnik zur Herstellung von Scheinwerfern und Spiegeln oder in der Werkzeugherstellung bei gehärteten Oberflächen zum Einsatz kommen. ik
Weitere Informationen zu den Infrarot-Temperatur-Sensoren von Micro-Epsilon:
Micro-Sensor als Teil der Micro-Epsilon-Gruppe auf der Messe Innotrans 2018: Halle 6.2, Stand 305
„Analoge wie auch digitale Anschlüsse halten uns auf unserer Anschlussseite sehr flexibel“
