Themen und Trends Schnell wie der Wirbelstrom

Wege und Positionen auf Metallen zuverlässig bestimmen.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Treston Deutschland GmbH

Renishaw GmbH

Viele Anwendungen in der Industrie, bei denen auf messende Systeme zurückgegriffen werden muss, können optische (beispielsweise Triangulation) oder mechanische Systeme (zum Beispiel Messtaster) nicht eingesetzt werden. Während Lasersensoren an Reflexionseigenschaften scheitern können, haben Messtaster den Nachteil, nicht berührungslos arbeiten zu können. Ebenso kann ein mechanischer Taster nicht die Messgeschwindigkeit von optischen oder Wirbelstromsensoren bieten. Eine Lösung bei diesem Problem ist der Einsatz von Wirbelstromsensoren. Die Wirbelstromtechnik bietet gegenüber anderen Messsystemen viele Vorzüge. Nutzt man diese Vorteile mit integrierter Auswerteelektronik wie in der Serie GPX von Sunx, steht ein intelligentes Messsystem zur Verfügung, welches sehr schnell bei hoher Auflösung arbeitet. Wirbelstromsensoren eignen sich für Messungen an Metallen. Weil der an dieser Stelle besprochene Sensor für die Wegmessung konzipiert ist, induziert er den Wirbelstrom nur in der obersten Schicht im Metall. Die Tiefe, in der noch ein Wirbelstrom erzeugt wird, ist von der Erregerfrequenz des Sensors abhängig (genauer eigentlich indirekt proportional zur Wurzel der Frequenz). Liegt diese bei 100 Hz, können die Ströme in bis zu 100 mm Tiefe (bei Titan) induziert werden. Da bei der Wegmessung auch ein schnelles System gefragt ist und die Tiefenanalyse unwichtig ist, kann die Erregerfrequenz sehr hoch gehalten werden (auch im MHz-Bereich). Bei diesen Frequenzen entstehen Wirbelströme je nach Material in einer Tiefe von bis wenigen zehntel Millimetern. Weil die „Eindringtiefe“ relativ gering ist, sind qualitative Messungen möglich: Fährt man den Sensorkopf parallel zu einer Metallplatte, können Inhomogenitäten im Material aufgenommen werden. Der induzierte Wirbelstrom wird beispielsweise durch einen Oberflächenkratzer gedämpft.

Hauptanwendungsgebiet ist die Wegmessung

Das Hauptanwendungsgebiet von industriellen Wirbelstromsensoren ist die Wegmessung. Je kleiner der Abstand zwischen Sensor und Metalloberfläche, desto größer ist der induzierte Wirbelstrom. Bewegt sich das Messobjekt in Richtung Sensor, wird die in der Spule induzierte Impedanz größer. Mit Hilfe einer integrierten Logik kann dieser Wert als Analogwert ausgegeben werden. Der Sensor errechnet folglich aus der Änderung der Wechselwirkung des Wirbelstroms den Abstand zum Messobjekt.Die GPX-Serie von Sunx ist modular aufgebaut, um den individuellen Anforderungen gerecht zu werden (Bild 1). So sind Köpfe mit Messbereichen von 0,8 bis 10 mm erhältlich. Je nachdem ob ein großer Messbereich oder eine hohe Auflösung gefragt ist, kann ein individuelles Modell gewählt werden. Die Ansprechzeit beträgt 25 µs, es können auch schnelle Bewegungsabläufe erfasst werden und das bei einer Auflösung von 0,02% des Messbereiches.Weil die Wirbelstrommesstechnik zwar farbunabhängig bezüglich des zu prüfenden Objektes, aber abhängig von seinen Materialeigenschaften ist, sind in der Steuereinheit bereits Voreinstellungen für verschiedene Metallarten integriert. So können Messfehler, bedingt durch die unterschiedliche Permeabilität, unterbunden werden.

Optische Eigenschaften sind ohne Einfluss

Weil die Wirbelstromtechnik unabhängig von den optischen Eigenschaften arbeitet, eignet sie sich hervorragend zur Wegmessung von Metallen. Denn im Gegensatz zu Systemen, die mit Hilfe von Licht arbeiten, geht bei Wirbelstromsensoren nicht der Fehler mit ein, der aufgrund von metallischen Reflexionen entsteht.Die Serie GPX eignet sich hervorragend, den Abstand abzufragen. In Bild 2 ist der Sensor zur Steuerung von zwei Walzen eingesetzt. Eine ähnliche Aufgabe besteht, wenn sich ein Metallband senkrecht zum Messkopf bewegt. Nähert sich die Metallplatte dem Sensor aufgrund einer Unebenheit, ändert sich auch der induzierte Wirbelstrom, der wiederum vom Sensor registriert wird. Soll hingegen die Planarität von Metallplatten abgefragt werden, die fest positioniert sind, werden an verschiedenen Messorten Sensorköpfe befestigt. Ist das Objekt innerhalb der festgelegten Toleranzen, muss jede Einheit die anfangs festgelegten Messwerte aufweisen. Das Objekt ist planar respektive korrekt positioniert.Eine vergleichbare Applikation ist die Aufnahme der Exzentrizität von Walzen (Bild 3). Dabei wird der Sensor oberhalb der Oberfläche positioniert. Nähert sich die Walze aufgrund eines Höhenschlages dem Sensor, ändert sich der Wirbelstrom und der Sensor gibt diesen Unterschied weiter. Im Falle des GPX-Sensors kann dies auf zwei Arten geschehen: Entweder mit Hilfe der Ausgangstransistoren für eine digitale Aussage (zu kleiner Wert, innerhalb der Grenzwerte, zu großer Wert) oder mittels des analogen Ausgangs.Weitere Anwendungsgebiete bei der Wegmessung findet man bei Press- und Stanzmaschinen (Erkennung, wie tief das Werkzeug in die Probe drückt) und bei Positioniermaschinen (absoluter Abstand zur Referenzoberfläche).Die klassische Aufgabe schlechthin ist das Überwachen von Dicken bei Metallbändern. Mit Hilfe des Sensors kann die Änderung der Materialhöhe mit einer Auflösung von kleiner einem Mikrometer aufgenommen werden. Aber auch qualitative Analysen lassen sich mit Wirbelstrom messen: Befindet sich in der Oberfläche des zu messenden Objektes eine Kerbe oder Nut und bewegt sich nun der Sensor parallel zur Oberfläche über eine solche Kerbe, kann diese erkannt werden. Voraussetzung dafür ist eine hinreichende Tiefe der Kerbe.Wirbelstromsensoren eignen sich bestens als Wegmesser bei Metallen. Außer bei Positionieraufgaben finden sie Anwendung vor allem beim Überwachen von Höhenänderungen. Dies kann eine Dickenprüfung von Metallbändern sein, aber auch die Abstandsmessung zwischen zwei Metallstreifen. Weitere Einsatzgebiete sind das Positionieren von Werkstücken und die Überwachung von Press- und Stanzmaschinen.