Das Prinzip der Wirbelstrommessung gehört zu den berührungslosen Sensoren. Sie werden stets dann verwendet, wenn schnelle Wegänderungen erfasst werden sollen, keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden dürfen, hochempfindliche Oberflächen eine Berührung nicht zulassen oder eine lange Lebensdauer der Sensoren gefordert wird.
Messprinzip Wirbelstrom
Das Wirbelstromprinzip ist im eigentlichen Sinne dem induktiven Messverfahren zuzuordnen. Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Diese Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin – gemäß dem faradayschen Induktionsgesetz – Wirbelströme. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme wirkt entsprechend der Lenz’schen Regel dem Feld der Spule entgegen, was eine Änderung der Spulenimpedanz nach sich zieht. Diese abstandsabhängige Impedanzänderung lässt sich durch Amplitudenänderung der Sensorspule als messbare Größe am Controller abgreifen.
Das Verfahren ist bei allen elektrisch leitenden Materialien einsetzbar. Da Wirbelströme Isolatoren ungehindert durchdringen, können sogar Metalle hinter einer isolierenden Schicht als Messobjekt dienen. Eine spezielle Spulenwicklung ermöglicht besonders kleine Sensorbauformen, die auch noch bei hohen Temperaturbereichen einsetzbar sind. Alle Wirbelstromsensoren sind unempfindlich gegen Schmutz, Staub, Feuchte, Öl und Druck.
Dennoch unterliegen Wirbelstromsensoren einigen Einschränkungen in der Anwendung. Für jede Applikation ist beispielsweise eine individuelle Linearisierung und Kalibrierung notwendig. Ebenso ist das Ausgangssignal von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Messobjekts abhängig.
Nichts desto trotz verhelfen aber genau diese Restriktionen dem Messprinzip eddyNCDT von Micro-Epsilon zu der hohen Auflösung von wenigen zehntel Nanometern. Derzeit sind Messbereiche mit wenigen 100 µm und knapp hundert Millimeter erhältlich. Je nach Messbereich können damit Baugrößen zwischen 2 mm und 140 mm erreicht werden.
Einsatz in der Praxis
Wegsensoren sind aus dem Maschinenbau nicht mehr wegzudenken. Sie werden verwendet, um verschiedene Bewegungen zu kontrollieren, Füllstände zu überwachen, um Produktqualitäten zu überprüfen uvm. Doch gerade in dieser Branche treffen Sensoren auf die unterschiedlichsten und härtesten Bedingungen, die es zu erfüllen gilt. So müssen Sensoren häufig in widrigen Umgebungen sicher arbeiten. Sie werden in Öl, bei heißen Dämpfen oder wechselnden Temperaturen verwendet. Genauso ist es aber möglich, dass Sensoren an stark vibrierenden Teilen, in starken elektromagnetischen Feldern verwendet werden oder ein gewisser Abstand zum Objekt nötig ist. Wichtige Einsatzkriterien sind Genauigkeit und Temperaturstabilität, Auflösungsvermögen und Grenzfrequenz. Genau deshalb rücken immer wieder andere Vorteile der verschiedenen Messverfahren in den Vordergrund. Sodass keine generelle Aussage über das optimale Messverfahren getroffen werden kann.
Wirbelstromsensoren werden unterteilt in Sensoren mit Schirmung und Sensoren ohne Schirmung. Bei geschirmten Sensoren wird durch eine separate Ummantelung ein engerer Verlauf der Feldlinien erreicht, sie sind unempfindlich gegenüber radial benachbarten Metallen. Bei ungeschirmten Sensoren treten die Feldlinien auch seitlich vom Sensor aus. Dafür ist der Messbereich in der Regel größer. Die richtige Montage ist maßgebend für die Signalqualität da benachbarte Objekte das Signal ganz entscheidend beeinflussen können.
Embedded Coil Technology
Ganz neu sind die Wirbelstromsensoren gefertigt nach dem ECT-Verfahren (Embedded Coil Technology). Damit werden Umgebungstemperaturen bis zu 350°C möglich. Zudem können die Sensoren extrem mechanisch belastet werden, bspw. überstehen die Sensoren den Einsatz in Refinern der Papierindustrie, die zum mahlen des Holzes verwendet werden. Viele Freiheitsgrade bestehen in der Formgebung. Je nach Anwendung können die Sensoren an die Umgebung angepasst werden.
Kenndaten im Controller gespeichert
Wirbelstromsensoren tauschen und mit einer einfachen 3-Punkt-Kalibrierung weiter messen – eine intuitive Benutzerführung und einfachstes Handling bei der Parametrierung. Das sind die grundlegenden Merkmale des neuen eddyNCD3100 Wirbelstromsystems und besteht aus einem sehr kompakten Controller mit den dazugehörigen Sensoren.
Sensoren und Kabel besitzen einen integrierten EEPROM Speicher, der die wichtigsten Kenndaten enthält. Alle nötigen Daten erhält der Controller vom Sensor, weshalb beim Sensortausch eine einfache 3-Punkt-Kalibrierung ausreicht. Werkseitig sind alle Sensoren auf ferromagnetische und nicht-ferromagnetische Stoffe abgestimmt. Eine genaue Definition des Messobjekts im Vorfeld entfällt dadurch.
Alle Einstellungen werden per Web-Browser erledigt. Sind die Einstellungen abgeschlossen, werden die Änderungen in den Controller gespeichert und die Messung selbst kann ohne PC erfolgen.
Die Sensoren sind fix mit einem PTFE-Kabel in 3 m oder 9 m Länge verbunden und nach IP67 geschützt. Vorerst sollen sieben Sensormodelle alle gängigen Aufgaben abdecken. Weitere Sensoren werden folgen.
Die prinzipbedingten Vorteile des Wirbelstromverfahrens gelten selbstverständlich auch für das eddyNCDT 3100. So werden auch diese Sensoren in rauer Industriumgebung, in Öl oder Wasser, bei elektromagnetischen Störfeldern oder Umgebungstemperaturen bis 105°C eingesetzt.
