Berührungsloses Messen

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1 Berührungsloses Messen Telemetriesysteme für rotierende Anwendungen Dipl.-Ing. Werner Schnorrenberg, Habichtweg 30, D Bergisch Gladbach Die kontinuierliche, berührungslose Messwerterfassung an rotierenden Maschinenelementen ist zu einer Standardapplikation in vielen Bereichen der industriellen Entwicklung und Produktion geworden. Herkömmliche Messmethoden mit Schleifringübertrager können modernste Messstandards kaum noch gewährleisten. Angesichts ständig steigender Anforderungen an Messmittel, hat sich Telemetrie gerade im Fall von Anwendungen an schnell drehenden Messobjekten vollständig durchgesetzt. Neben Langzeitstabilität und Applikationsfähigkeit unter immer extremeren Umgebungsbedingungen, sind die entscheidenden Vorteile von Telemetriesystemen die Zuverlässigkeit bei der Messwertübertragung, der Signal- Dynamikbereich und die Genauigkeit der gesamten Messstrecke zwischen Sensor und Computer. Weltweit werden 1- und 2-Kanal-Telemetriesystem von für die unterschiedlichsten Applikationen verwendet. In der industriellen Anwendung, wo im Falle der Erfassung von mechanischen Größen an rotierenden Objekten der Messrechner nicht direkt an den Sensor angeschlossen werden kann, hat sich die Telemetrie inzwischen als überlegene Alternative gegenüber herkömmlichen Verfahren wie Schleifringübertrager durchgesetzt. Als Spezialist für den Dauereinsatz sorgen Telemetriesysteme direkt am Rotor für ein Höchstmaß an Sicherheit - bei der Produktions- und Prozessüberwachung, in der Antriebs- und Fördertechnik. Ob Messdatenübertragung oder Spannungsversorgung - Telemetriesysteme für rotierende Applikationen funktionieren konsequent berührungslos und sind somit wartungs- und verschleißfrei. Davon profitieren so unterschiedliche Industriezweige wie Pharmazie und Chemie, Automobilindustrie und Luftfahrttechnik, Maschinen-, Schienenfahrzeug-, Schiffs- oder Prüfstandsbau. Wer das Drehmoment von Antriebswellen aller Art überwachen, wer dynamische Vorgänge an Zentrifugen und Turbinen, rotierenden Mischbehältern, Windkraftanlagen oder Werkzeugen von Bearbeitungsmaschinen kontrollieren, wer Bewegungsabläufe an Antriebs-, Kurbel-, Nockenwelle, Radachsen oder Temperaturen an Drehöfen und Bremsscheiben zuverlässig messtechnisch erfassen will, findet in der Telemetrie-Messtechnik das für diese Aufgaben ideale Messmittel. Rotationstelemetrie 1-Kanal Telemetriesysteme werden vorwiegend für rotierende Applikationen eingesetzt, zur kontinuierlichen Messung und Übertragung von Drehmomenten, Drücken, Schwingungen oder Temperaturen von drehenden Wellen, Flanschen, Rädern, Scheiben, Schaufeln und Propellern. Der Telemetrie-Sender (Rotorelektronik) ist in einem kleinen und stabilen Metallgehäuse untergebracht, entweder in flacher Bauform für radiale- oder runder Bauform für axiale Applikationen. Da die Rotorelektronik nur ca. 15g wiegt, beeinflusst sie Steifigkeit, Masse und Unwucht der Welle nur unwesentlich. Die am Gehäuse seitlich herausgeführten Lötanschlüsse dienen zum Anschluss von Sensor, Antenne und Stromversorgung. 1

2 Bild 1: Verschiedene 1-Telemetriesender (K1, F1) für radiale und axiale Montagen (links) und ein komplettes Telemetriesystem mit Montagematerial und Wiedergabe im Transportkoffer (rechts) Funktionsweise einer 1-Kanal-Telemetrie Zunächst werden DMS und Rotorelektronik auf der Welle befestigt und eine elektrische Verbindung zwischen Sensorausgang und den Lötanschlüssen der Rotorelektronik hergestellt. Die Rotorelektronik versorgt die DMS-Brücke mit einer konstanten Brückenspannung. Das Ausgangssignal der Messbrücke wird von der Rotorelektronik einstellbar um Faktor verstärkt und mit einer Grenzfrequenz von f g =1 khz gefiltert. Die Auswahl der Signalverstärkung erfolgt durch Anbringen von Lötbrücken oder Widerständen auf der Kontaktleiste der Rotorelektronik. Anschließend durchläuft das Signal einem linearen Spannungs-/Frequenz-Wandler, der aus dem verstärkten und konditionierten Eingangssignal von max. +/-5V ein proportionales Frequenzsignal von khz erzeugt. Mit diesem Schaltungstrick gewinnt man ein hohes Maß an Messdynamik, indem zur störungsfreien und genauen Übertragung auch sehr kleiner Eingangssignale, sämtliche Signalspannungen in amplitudenkonstante, frequenzvariable Messwert gewandelt werden (Bild 1). Hierbei gilt: Der entstehende Frequenzhub (Δf) ist äquivalent der momentanen Signalamplitude (A) und die Modulationsfrequenz (fm) entspricht der Signalfrequenz (fe). Bei der HF-Übertragung von Sensorsignalen arbeiten Telemetriesysteme grundsätzlich mit Frequenzmodulation (FM), weil die abgestrahlte Leistung bei FM - im Gegensatz zu AM - unabhängig von der Signalamplitude konstant bleibt. Außerdem sind frequenzmodulierte Signale sehr störfest gegenüber Amplitudenüberlagerungen und Störeinstrahlungen (EMV), da die gesamte Information ausschließlich in einer Änderung der Frequenz enthalten ist. 2

3 A 5V Eingangssignal +5V A' Ausgangssignal t 5kHz 15kHz -5V -5V u/f-wandler f/khz Bild 2: u/f-wandlung des Sensorsignals Nach der Frequenzkonvertierung wird das Messsignal dem Eingang eines in der Rotorelektronik integrierten Miniatur-HF-Senders zugeführt, dessen HF-Ausgangssignal zur Abstrahlung auf eine Kupfer-Ringantennen geleitet wird, welche in Form einer einzelnen Drahtwindung um die Welle herum ausgeführt ist. ROTOR SENSOREN Rotorelektronik TE u/f +/-5V Sender DMS Empfänger PT100 Shunt-Kalibr. Poti Ringantenne Messergebnis: Frequenz-Modulation Träger: 10, MHz max. 38mm Stromversorgung induktive Übertragung 22kHz Induktivkopf STATOR Wiedergabe Sender (Power) Empfänger f/u Stromvers. Kalibr. U F RS232 DC AC TTL-Sig. Kal. Bild 3: Blockschaltbild einer analogen 1-Kanal-Telemetrie, Typ K1 und B1A Die Trägerfrequenz der Rotorelektronik ist wählbar zwischen 10 bis 40 MHz, so dass bis zu 7 Systeme am gleichen Ort betrieben werden können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Zum Empfang des HF-Signals, wird ein Empfangskopf (Stator) in geringem Abstand zur Ringantenne befestigt. Vom Empfangskopf wird das verstärkte HF-Signal einer Wiedergabeeinheit zugeführt. Dort wird das frequenzmodulierte Signal demoduliert, f/u-gewandelt, amplitudenverstärkt, gefiltert und steht an den Ausgangsklemmen der Wiedergabeeinheit als normiertes +/-5 oder +/-10 Volt-Signal oder als Frequenzsignal 10 khz, +/- 5 khz zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung. Zur einfachen und schnellen Funktions- 3

4 kontrolle und Nachjustierung des gesamten Meßsystems, kann von der Wiedergabe aus per Knopfdruck jederzeit eine drahtlose Shunt-Kalibration auch im laufenden Versuch ausgelöst werden. 1 Kanal-Telemetriesystem für Drehmomentmessungen auf rotierenden Antriebswellen Wiedergabeeinheit Anschlußkabel, 5m LCD-Display Spannungsversorgung V= Analogausgang +/-10V, +/-5V Welle (rotierend) Sensor (DMS, Thermo oder 0...5V) Induktiv- und Empfangskopf (stationär) Verstärkung Offset Frequenzausgang 10 khz, +/- 5kHz <=38mm Distanz Rotor Elektronik Mu-Metall Einkanal-Rotorelektronik Ringantenne (Cu) Bild 4: Schematischer Aufbau der Rotortelemetrie K1, zur Messung von Drehmomenten auf einer rotierenden Antriebswelle Wird die Rotorelektronik auf der rotierenden Welle mit Hilfe einer 9-Volt-Batterie versorgt, ist der Messaufbau hiermit abgeschlossen. Die Spannungsversorgung mit Batterie oder Akku hat jedoch den Nachteil, dass die Telemetrie nur eine begrenzte Zeit von etwa 8 Stunden betriebsbereit ist. Um einen Dauerbetrieb des Systems in Maschinen, Fahrzeugen oder Prüfständen zu ermöglichen, muss die Rotorelektronik induktiv spannungsversorgt werden. Zu diesem Zweck befindet sich im Empfangskopf ein induktiver Leistungsübertrager, der ein starkes, niederfrequentes Wechselfeld erzeugt. Diese Wechselfeld induziert nach dem Transformatorprinzip eine Wechselspannung in die Ringantenne, welche in der Rotorelektronik gleichgerichtet wird und zu deren Stromversorgung dient. Mit diesem Schaltungstrick wird die Rotorelektronik ferngespeist und ist damit für Dauerversuche geeignet (Bilder 3/4/5). Zu beachten ist hierbei, dass der Induktivkopf nicht weiter als 4 cm von der Leiterschleife montiert wird, da ansonsten die induzierte Leistung nicht mehr ausreicht und die telemetrische Übertragung abreißt. Weiterhin muss die um die Welle gelegte Ringantenne zur magnetischen Isolierung mit Mu-Metall unterlegt werden, da ansonsten das Magnetfeld des Induktivkopfes vom Ferritanteil der Welle aufgesaugt wird, und sich der Wirkungsgrad der induktiven Übertagung erheblich reduzieren würde. Bei sehr großen Wellendurchmessern (>1m), wie z.b. bei Antriebswellen von Walzwerken, kann ein Resonanzabgleich der Ringantenne mit Hilfe von Kondensatoren erforderlich sein. 4

5 Ringantenne, Kupferband Rotorelektronik MU-Metall Induktivkopf Sensor: DMS Bild 5: Kontinuierliche, telemetrische Drehmomentmessung auf einer Antriebswelle mit induktiver Stromversorgung der Rotorelektronik Neue, digitale 1-Kanal Telemetrie für DMS und Thermoelemente Die neue TEL1-PCM eine kostengünstige, einfach zu applizierende und dennoch äußerst leistungsfähige Lösung zur kontinuierlichen, berührungslosen Übertragung von Drehmomenten auf rotierenden Antriebswellen (Bild 6/7). Die auf der Welle montierte Rotorelektronik - bestehend aus Signalaufbereitung, Antialiasing-Filter, A/D-Wandlung und PCM-Modulation - ist in einem kleinen, stabilen Metallgehäuse untergebracht (70 x 16 x 6 mm, 10 g). Als Sensor dient ein Dehnungsmessstreifen (DMS), in Voll- oder Halbrücke mit 350 Ohm. Die Spannungsversorgung und Signalübertragung der Rotorelektronik erfolgt induktiv. Hierzu werden Windungen CuL-Draht über eine auf der Welle zuvor aufgeklebten Ferrit-Folie gewickelt. Ein gegenüber der Induktionsschleife montierter Empfangskopf (Stator), dessen Entfernung bis zu 2cm betragen kann, übernimmt die berührungslose Energieversorgung und dient gleichzeitig zum Empfang der digitalisierten Messdaten, welche mit einer Bandbreite von bis zu 1200 Hz (-3dB) übertragen werden. Der statische Empfangskopf wird über ein 5 Meter langes Kabel mit der Wiedergabeeinheit verbunden. Dort kann das Messsignal nach einer D/A- Wandlung an einer BNC- Buchse mit +/- 10 Volt oder als bitserielles PCM-Signal abgegriffen werden. 5

6 Bild 6: digitale Mini-Telemetrie für DMS oder Thermoelement Bild 7: Applizierte TEL1-PCM für DMS, Drehmoment-Messungen 6

7 Eine weitere, besondere Eigenschaft der neuen µp-gesteuerten PCM-Telemetrie, ist deren bidirektionale Arbeitsweise. Von der Wiedergabe aus kann die Spannungsverstärkung der Rotorelektronik auch im laufenden Betrieb im Bereich von 0 bis 8000 verändert werden und eine Auto Zero -Funktion ist per Tastendruck jederzeit möglich. Außerdem bietet das System eine LED-Aussteuerungsanzeige und diverse Status-Indikatoren, u. a. für einen erfolgreichen Autozero oder eventuell aufgetretene Overload- und Übertragungsfehler. Die Systemgenauigkeit beträgt +/- 0,2 % und die Ausführung des Induktivkopfes entspricht der Schutzart IP65. ROTOR µp DMS, Sensor TP A D PCM Modulator Spule STATOR µp Meßsignal Spannungsversorgung, Steuerung analog +/-10V TP A D PCM HP Induktiv- Kopf digital PCM-Code Power- Oszillator Bild 8: Prinzipaufbau der digitalen 1-Kanal-Telemetrie TEL1-PCM 7

8 Applikationsbeispiele von rotierenden Telemetriesystemen: Sensoren DMS Rotorelektronik 2-Kanal-Telemetrie Ringantenne Betriebsfestigkeitsmessung einer PKW-Schwungscheibe mit 1-Kanal Telemetriesytem, zur Messung von Zug- und Druckspannungen während des Betriebs. Antenne axial appliziert, Spannungsversorgung induktiv DM Rotorektro Batteri Batterieversorgte 1-Kanal Telemetrie zur Kettenzugkraftmessung eines Förderbandes. Eine DMS-Vollbrücke wird an einem Kettenglied angebracht. Die Zugkraft wird an die in einem Kettenglied montierten Rotorelektronik weitergegeben. Das Gewicht der Rotorelektronik ist mit 15 g so minimal, dass es das Messergebnis nicht beeinflusst. 8

9 Prüfstand mit berührungsloser Messtechnik zur Ermittlung von Drehmomenten (Nm) und Drehzahl auf einer Antriebswelle eines E-Motors. Durch Multiplikation von Drehmoment mit Drehzahl wird die Antriebsleistung ermittelt. 4-Kanal-Telemetrie zur Messung von Temperaturen auf einem Bremsenprüfstand. Als Sensoren werden NiCr-Ni, Typ K Thermoelemente eingesetzt, mit einem Messbereich von C, entsprechend V Ausgangsspannung an der Wiedergabe. Die Stromversorgung der Telemetrie erfolgt induktiv, so dass ein Dauerlauf des Prüfstands gewährleistet ist. 9

10 Agro-K45.asc :00-3:50-3:40-3:30-3:20-3:10-3:00-2:50 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] min:s Agro-k45: ganz langsam ohne Allrad in der Halle ca. 3 Radumdrehungen vorne: Agro-K :00-3:55-3:50-3:45-3:40-3:35-3:30-3:25-3:20 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] Agro-k46: langsam vor der Halle mit Allrad vorwärts Agro-K47 min:s :00-3:55-3:50-3:45-3:40-3:35-3:30-3:25-3:20 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] min:s Agro-k47: langsam vor der Halle mit Allrad rückwärts Messung von Kräften und Drehmomenten an landwirtschaftlichen Maschinen 1-Kanal Telemetrie zur Spannungsmessung an einer Kardanwelle 10

11 Rotor Stator 1-Kanal Telemetriesystem für axiale Montage an das Wellenende, Infrarot-Datenstrecke mit induktiver Versorgung der Rotorelektronik und DMS, geschlossenes Gehäuse mit lagergebundenem Statorbaustein für axiale Montage (Flanschdurchmesser 140- oder 90mm) 1-Kanal-Telemetrie zur Drehmomentüberwachung an einem Walzwerkantrieb 11

12 Fertig applizierte 1-Kanal-Telemetrie K1 auf einer Antriebswelle, zur kontinuierlichen und berührungslosen Erfassung von Drehmomenten 12

13 Mini 1-Kanal-Telemetrie F1, zur Öldruckmessung in einem Formel-2-Motor Kontakt: TMS Telemetrie-Messtechnik Schnorrenberg Werner Schnorrenberg Habichtweg 30 D Bergisch Gladbach Tel: Fax: