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antriebstechnik 5/2018

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Alternatives

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

SENSORIK UND MESSTECHNIK und mehr) meist nur durch eine Verringerung des Messbereichs realisiert. Die häufigste Verbreitung finden gegenwärtig immer noch rein analoge Sensorsysteme. Die analogen Schaltungen stellen sich als kostenmäßig attraktiv und schnell, jedoch empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen heraus. Ebenso erweist sich oft der Abgleich der Signalaufbereitung des in der Maschine eingebauten Sensors als schwierig. Rein mikroprozessorgesteuerte Systeme hingegen sind sehr teuer und zeigen Grenzen in den Auswertemöglichkeiten der Sensorsignale. Zum Beispiel liegt die Wechselstromfrequenz der Sensorversorgungsspannung im MHz-Bereich. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Erfassung der Abstandsinformation, welche sich in der Amplitude der Speisespannung äußert, müsste um die volle Auflösung zu erreichen, mindestens um die Zahl dessen Bitbreite schneller arbeiten, damit eine Abstandsänderung gerade noch eindeutig erfassbar ist. ADCs mit solch hohen Abtastraten sind sehr preisintensiv. Des Weiteren kann aufgrund des physikalischen Wirkprinzips des Abstandserfassungsverfahrens die Amplitude der Speisespannung nicht Null werden. Dieser Nachteil wirkt sich dahingehend aus, dass die Bitbreite eines ADCs so nicht voll ausgeschöpft werden kann. Ebenso spiegelt sich dies in den Reserven zum maximal erfassbaren Abstand wider, dadurch dass die Erreichbarkeit der Vollaussteuerung des ADCs in dem Fall nicht gegeben ist. In dem in diesem Beitrag beschriebenen Projekt bestand die Zielstellung darin, eine eigene Elektronik für die Positionserfassung des Rotors in einem Magnetlager zu entwickeln. Das Komplettgerät sollte sich insbesondere durch eine hohe Grenzfrequenz auszeichnen, preisgünstiger, synchronisierbar, einfach abzugleichen sowie auch für eigens entwickelte unterschiedliche Sensortypen einsetzbar sein. Der neuartige, hier verfolgte Lösungsansatz besteht in der Kombination aus analoger Signalaufbereitung und einer digitalen Speisung bzw. Auswertung. Die Neuartigkeit besteht hauptsächlich in der digital automatisch einstellbaren Arbeitsfrequenz der Sensorversorgung hinsichtlich Parametervarianzen bei der Sensorherstellung und der schnelleren analogen Demodulation der Amplitudeninformation gegenüber der bei herkömmlichen Systemen, welche mit fest eingestellter Trägerfrequenz und Hüllkurvendemodulator arbeiten. Trägersignalgenerierung und Demodulationsverfahren Die Speisung der Sensorspulen erfolgt mit einer aus einem Sinusgenerator gewonnenen Wechselstromquelle im einstelligen MHz- Bereich. Ein Demodulator trennt die amplitudenmodulierte Rotorposition von der Trägerfrequenz. Ein Direct-Digital-Synthesis- Generator, im folgenden DDS-Generator genannt, bietet als Signalquelle die Vorteile der digitalen Steuerung. Per Schnittstelle zum Mikrocontroller ist es möglich, über einen externen Quarztakt Frequenzen und Kurvenformen am Ausgang dieses Schaltkreises einzustellen. Die Temperatur- und Frequenzstabilität eines Quarztaktes und die tabellarisch digital hinterlegte Amplitudenform des gewünschten Ausgangssignals garantieren eine weitaus höhere Stabilität der Sollwertkurvenformen, als es mit analogen Schaltungen möglich ist. Das durch die Sensorspule ausgesendete Wechselfeld wird durch das bei Näherung zum Zielmaterial induzierte Gegenfeld kontinuierlich (nichtlinear) aufgehoben. Da die Induktivität ihre ursprüngliche Wirkung dadurch immer mehr verliert, verschiebt sich die Resonanzkurve bei Annäherung zum Zielmaterial in Richtung höherer Frequenzen. Amplitude und Frequenz des Speisestromes demgegenüber bleiben konstant und der Scheitelwert der Speisespannung sinkt. Die Wahl des Arbeitspunktes liegt vorteilhaft kurz vor der Resonanzfrequenz des Sensors inklusive dessen Anschlussleitung (hier etwa 1,8–2 MHz), denn an diesem Punkt ist die genannte Amplitudenänderung am größten (Tangente 1) und damit die Abstandsinformation am besten erfassbar. Die Wahl fällt bewusst nicht direkt auf den Maximalwert der Resonanzfrequenz, da sich bei Näherung 02 Erste ölfreie, magnetgelagerte Dampfturbine (Schnittmodell) 04 05 03 Aktive Magnetlagerung der Siemens Simotics- AMB-Technology Prinzipielles Funktionsblockschaltbild eines DDS-Generators (AD9834) Qualitative Resonanzkurve eines Sensors inklusive Anschlussleitung der Arbeitsfrequenz zu diesem Punkt der Anstieg der Resonanzkurve (Tangente 2) wieder senkt. Die Spannungsamplitude mit einer Trägerkreisfrequenz von ω = 2πf Tr lässt sich mit folgender Formel beschreiben: antriebstechnik 5/2018 61

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