antriebstechnik 5/2018

Alternatives Wirbelstromsensor-
Abstands-Erfassungssystem für
Magnetlager- und Turbinenanwendungen
01 Aktiv magnetgelagerte Zentrifuge bis 80 000 U/min zum Zentrifugieren von Schwebeteilchen in Flüssigkeiten
Die berührungslose Erfassung von Abständen zu bestimmten Zielobjekten ist in der
Automation weit verbreitet. Unterschiedliche Technologien wie zum Beispiel optische,
kapazitive und induktive Sensorsysteme haben sich etabliert. Lesen Sie, wie ein alternatives
Wirbelstromsensor-Abstands-Erfassungssystem für Magnetlager- und Turbinenanwendungen
mit hoher Grenzfrequenz und automatisierten Abgleichverfahren entwickelt wurde.
O
ptische Verfahren zeichnen sich durch eine extrem hohe Genauigkeit
aus, wobei das geforderte hohe Maß an Sauberkeit
der industriellen Umgebungen leider nicht oft eingehalten werden
kann. Staub, hohe Luftfeuchte oder Fette schränken die Anwendung
optischer Methoden ein. Andererseits erweisen sich kapazitive
Sensorsysteme als recht robust gegenüber Umwelteinflüssen.
Diese Art der berührungslosen Abstandserfassung ermöglicht die
Behandlung von sowohl leitenden Werkstoffen, wie die von Isolatoren.
Einschränkungen hierbei bestehen im eher geringen Erfassungsabstand
und begründen sich im Einfluss von allem, was sich
innerhalb des Erfassungsraums befindet, z. B. Aerosole wie Rauch,
Ruß, Ölqualm sowie Pollen, Mahl-Produkte, Abrieb und andere
natürliche oder industrielle Nanopartikel. Zusätzlich können sich
elektrische/elektrostatische Felder an einem schwebenden Zielmaterial
ausbilden (e. g. magnetisch gelagerter Rotor) und die Messung
negativ beeinflussen. Weiterführend sind induktive Wirbelstromsensoren
zu nennen. Diese erweisen sich in Industrieumgebungen
als besonders robust. Staub, Fette und Flüssigkeiten haben,
mit der Einschränkung hoher elektrischer Leitfähigkeit, keinen Einfluss
auf die Messergebnisse. Einer geringeren Genauigkeit als bei
den vorher betrachteten Systemen und der Voraussetzung eines
Dipl.-Ing. (FH) Ringo Lehmann, Dipl.-Ing. (FH) Patrick Mosig,
Prof. Dr.-Ing. Lutz Zacharias und Prof. Dr.-Ing. Mirko Bodach, alle an der
Fakultät Elektrotechnik der Westsächsischen Hochschule Zwickau
elektrisch gut leitfähigen Zielmaterials steht jedoch eine Vielzahl an
Vorteilen des Wirbelstromsensors gegenüber. Wirbelstromsensoren
finden, neben anderen Einsatzgebieten, häufig ihre Anwendung
in schnell rotierenden konventionell oder aktiv magnetisch
gelagerten Maschinen. Hier ist es oft notwendig, den Rotorabstand,
meist unterhalb eines Millimeters, im Mikrometerbereich genau zu
erfassen und diese Information schnellstmöglich der Anlage zuzuführen.
Die steigende Dynamik von Maschinen fordert Grenzfrequenzen
der Abstandserfassung von mehr als 20 kHz, damit die
Anlagensteuerungen oder Regelungen noch in der Lage sind, entsprechend
schnell auf Istwertänderungen zu reagieren. Solche
Anlagen können z. B. sein:
n Turbolader-Prüfstände
n Zentrifugen
n Öl-freie Dampfturbinen
n Kompressorantriebsstränge
Unterschiedliche Möglichkeiten bezüglich der Parametervariation,
Synchronisierung und in der Qualität ihrer Ausgangssignale der Abstandserfassungs-Systeme
spiegeln sich in den jeweiligen Kosten
wider. So sind einfach gehaltene Sensorsysteme relativ preiswert
jedoch untereinander nicht synchronisierbar, im Umkehrschluss
finden sich synchronisierbare Geber eher im oberen Preissegment.
Ebenfalls gibt es Unterschiede im Durchmesser der Sensoren, dem
Erfassungsbereich und dem Zielmaterial. Eine besonders wichtige
Eigenschaft ist zusätzlich die Grenzfrequenz. Bei herkömmlichen
Wirbelstrom-Messsystemen wird eine hohe Grenzfrequenz (100 kHz
60 antriebstechnik 5/2018