Die Anforderungen an Bauform und Abmessungen der Sensoren haben sich in den vergangenen Jahren wesentlich verschärft. Immer häufiger werden heute Miniatur- und Subminiatursensoren eingesetzt, die in Genauigkeit und Dynamik den herkömmlichen Sensorgrössen in nichts nachstehen. Ein typisches Anwendungsfeld dafür sind Weg- und Positionsmessungen im und um den Verbrennungsmotor.
Nicht jedes physikalische Messverfahren lässt eine Sensorminiaturisierung zu. Dafür besonders geeignet ist das Wirbelstromverfahren. Solche Sensorwinzlinge haben einen Frontdurchmesser von nur rund 2 mm, sind 4 mm lang und werden über ein integriertes Koaxialkabel mit 0,5 mm Durchmesser an den Controller angeschlossen.
Impedanzänderung zeigt Abstand
Das Wirbelstromporinzip findet Anwendung bei Messungen an elektrisch leitenden Werkstoffen, die sowohl ferromagnetische als auch nicht ferromagnetische Eigenschaften haben können. Ein hochfrequenter Wechselstrom durchfliesst eine in ein Sensorgehäuse eingebaute Spule. Das elektromagnetische Spulenfeld induziert im leitfähigen Messobjekt Wirbelströme, wodurch sich der resultierende Wechselstromwiderstand der Spule ändert. Diese Impedanzänderung bewirkt ein elektrisches Signal, das dem Abstand des Messobjekts zur Sensorspule propor-tional ist.
Wirbelstromsensoren erfassen Abstände berührungslos und verschleissfrei. Die von der Sensorspule ausgehenden hochfrequenten Feldlinien dringen problemlos durch nicht metallische Stoffe – so sind Messungen sogar bei starker Verschmutzung, Druck und Öl möglich. Diese besondere Eigenschaft erlaubt zudem auch die Messung auf metallischen Objekten, die mit Kunststoff überzogen sind, beispielsweise für die Erfassung von Schichtdicken.
Temperaturkompensation ist zwingend
Klassische Vertreter des Wirbelstrom-Verlustprinzips sind die Wegsensoren der eddyNCDT-Reihe. Die Messsysteme arbeiten mit ausgefeilter Signalaufbereitungselektronik und elektronischer Linearisierung. Diese ist nötig, da das physikalische Messprinzip nicht linear verläuft. Ein wichtiges Kriterium ist die Temperaturabhängigkeit des Wirbelstromeffekts: Ohne spezielle Kompensation sind die Sensoren bei schwankender Umgebungstemperatur kaum einzusetzen. Durch die jahrelange Erfahrung auf dem Gebiet der Wirbelstrommessung bietet Micro-Epsilon temperaturkompensierte Lösungen.
Schwierige Umgebungsbedingungen beeinflussen Messergebnis nur gering
Zur konstruktiven Verbesserung von Verbrennungsmotoren, zur Wirkungsgradoptimierung sowie zur Verbrauchs- und Ausstossreduzierung oder zur Schadensanalyse ist es nötig, die thermischen und mechanischen Belastungen im Motor zu messen. Um zuverlässige Aussagen machen zu können, brauchte es Messungen unter Betriebsbedingungen. Bei Normalbetrieb des Motors oder auch bei Schleppbetrieb sind die Messsysteme schwierigen Belastungen und Umweltbedingungen ausgesetzt – zum Beispiel hohen Temperaturen, Umgebung mit Öl, Kraftstoff-Luft-Gemisch, Verbrennungsgasen oder Kühlwasser, Vibrationen und Druck.
Für die Messung von Bewegungen, Positionen oder Spaltbreiten bewähren sich berührungslos arbeitende Wegsensoren auf Wirbelstrombasis seit vielen Jahren. Schmieröl, Kraftstoffe oder Verbrennungsgase im Messspalt oder in der Sensorumgebung beeinflussen die Messergebnisse auch unter schwierigsten Bedingungen nur unwesentlich. Durch die berührungslose Messung der Wege lassen sich auch sehr schnelle Vorgänge ohne Rückwirkung auf das Messobjekt und ohne Verschleiss erfassen.
Komplexe Installation im Verbrennungsmotor
Im Verbrennungsmotor baut man die Sensoren an verschiedenen Punkten ein. In fest stehenden Motorteilen lassen sie sich mit relativ geringem Aufwand montieren, die Verlegung des Sensorkabels bereitet hier keine grossen Probleme. Schwieriger wird es bei bewegten Motorteilen wie Kolben, Pleuel oder Kurbelwelle. Hier stellt sich das Problem der Signalübertragung vom bewegten Teil auf den stationären Motorblock: Übertragung durch Schleifenringe oder Funk scheidet wegen der vielen verschiedenen Messkanälen und wegen Dimensionsproblemen aus. Darum haben Anwender sogenannte «Schwingen» konstruiert, die die Sensor- und Messkabel der Messkanäle tragen.
Die Schwinge ist zum einen am Kolbenbolzen oder am oberen Pleuelauge gelagert und bewegt sich mit diesem auf und ab. Die zweite Lagerung ist ortsfest am Kurbelgehäuse. Von dort kann man die Kabel problemlos zu den Verstärkern weiterführen. Die kritische Stelle für Kabelführung und -beanspruchung ist im mittleren Schwinggelenk. An den Gelenkpunkten werden die Kabel durch die Mittelachse geführt und damit ausschliesslich auf Torsion beansprucht. Man verwendet spe- zielle teflonisolierte Koaxialkabel mit geringem Aussendurchmesser. Eine solche Schwinge hat eine Lebensdauer von vielen Stunden und eignet sich daher für umfangreiche Versuchsreihen. Die Installation der miniaturisierten Wirbelstrom-Wegsensoren im Verbrennungsmotor ist komplex, aber die zuverlässigen Messdaten tragen wesentlich zur Weiterentwicklung und Verbesserung der Motoren bei.
Fazit und Ausblick
Der technologische Fortschritt und die ständige Suche nach leistungsfähigeren und zuverlässigeren Maschinen und Anlagen schaffen immer neue Messaufgaben und damit auch neue Anwendungsfelder für Weg-, Abstands- und Positionssensoren. Dies trifft besonders auf die Bereiche Automobil, Maschinenbau und elek-trotechnische Industrie zu. Aufgaben, die heute noch latent und damit nicht aktuell sind, können schon morgen durch schärfere Anforderungen an die Sensorhersteller herangetragen werden. Deshalb sind variable und schnell modifizierbare Sensorprinzipien und -konzepte in Verbindung mit flexiblen mittelständischen Unternehmensstrukturen in der Wegsensorik morgen noch wichtiger als heute.
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