Sensortechnik Mini-Wirbelstromsensoren zur Weg- und Positionsmessung in Motoren

Immer mehr Messaufgaben, für die früher taktile Weg- und Positionssensoren verwendet wurden, werden heute berührungslos gelöst. Dass dieser Trend sich im Subminiaturbereich fortsetzt, beweisen winzige Wirbelstromsensoren, die völlig neue Anwendungsbereiche eröffnen wie den Einsatz im Verbrennungsmotor.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Lenord, Bauer & Co. GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Die Anforderungen an Bauform und Abmessungen der Sensoren haben sich in den vergangenen Jahren wesentlich verschärft. Immer häufiger werden Miniatur- und Subminiatursensoren eingesetzt, die in ihrer 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. Damit werden heute Sensor-Winzlinge mit einem Frontdurchmesser von lediglich 2 mm und einer Länge von 4 mm produziert; sie werden über ein integriertes Koaxialkabel mit 0,5 mm Durchmesser an den Controller angeschlossen.

Das Wirbelstrom-Prinzip findet Anwendungen bei Messungen an elektrisch leitenden Werkstoffen, die sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben können. Eine in ein Sensorgehäuse eingebaute Spule wird von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen. 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 proportional ist.

Wirbelstromsensoren erfassen berührungslos und verschleißfrei Abstände gegen metallische Objekte im Nanometerbereich. Die von der Sensorspule ausgehenden hochfrequenten Feldlinien dringen problemlos durch nichtmetallische Stoffe, was Messungen bei starker Verschmutzung, Druck und Öl ermöglicht. Diese besondere Eigenschaft ermöglicht darüber hinaus die Messung auf metallische Objekte, die mit Kunststoff überzogen sind, um z. B. Schichtdicken zu erfassen.

Klassische Vertreter des Wirbelstrom-Verlustprinzips sind die berührungslosen Wegsensoren der eddyNCDT-Reihe von Micro-Epsilon. Die Messsysteme arbeiten mit ausgefeilter Signalaufbereitungselektronik und elektronischer Linearisierung, die erforderlich ist, da das physikalische Messprinzip nichtlinear verläuft.

Temperaturabhängigkeit des Wirbelstromeffekts

Ein wichtiges Kriterium ist die Temperaturabhängigkeit des Wirbelstromeffekts. Ohne spezielle Temeraturkompensation sind Wirbelstromsensoren bei schwankender Umgebungstemperatur kaum einzusetzen. Durch die jahrelange Erfahrung auf dem Gebiet der Wirbelstrommessung bietet Micro-Epsilon temperaturkompensierte Lösungen.

Zur konstruktiven Verbesserung von Verbrennungsmotoren, zur Wirkungsgradoptimierung sowie zur Verbrauchs- und Ausstoßreduzierung ebenso wie zur Schadensanalyse ist es notwendig, die thermischen und mechanischen Belastungen im Motor zu messen. Um eine hohe Aussagekraft der Messergebnisse sicherzustellen, müssen die Messungen unter Betriebsbedingungen gewonnen werden.

Schwierige Belastungen und Umweltbedingungen

Bei diesem Normalbetrieb des Motors (befeuerter Kolben) oder auch bei Schleppbetreib werden die Messsysteme schwierigen Belastungen und Umweltbedingungen ausgesetzt, wie: hohe Temperaturen, Umgebung mit Öl, Kraftstoff-Luft-Gemisch, Verbrennungsgasen oder Kühlwasser, Vibrationen und Druck. Für die Messung von Bewegungen, Positionen oder Spaltbreiten haben sich berührungslos arbeitende Wegsensoren auf Wirbelstrombasis seit vielen Jahren bestens bewährt.

Die sehr gute Umweltverträglichkeit des Wirbelstromverfahrens macht den Einsatz dieser Art Wegsensoren in Verbrennungsmotoren unter Normalbetrieb möglich. Schmieröl, Kraftstoffe oder Verbrennungsgase im Messpalt oder in der Sensorumgebung beeinflussen die Messergebnisse auch unter schwierigsten Bedingungen nur unwesentlich. Durch die berührunglose Messung der Wege lassen sich auch sehr schnelle Vorgänge ohne Rückwirkung auf das Messobjekt und ohne Verschleiß erfassen.

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