Wervelstroomverplaatsingssensoren voor de industrie

Wervelstroomverplaatsingssensoren behoren tot de inductieve verplaatsingsgroep van sensoren en zijn goed aangepast voor industriële toepassingen. In tegenstelling tot conventionele inductieve sensoren, maakt het meetprincipe voor wervelstroomsensoren metingen mogelijk op niet-ferromagnetische materialen (bijv. aluminium) en ferromagnetische materialen (bijv. staal). Ze zijn ontworpen voor contactloze en slijtagevrije metingen van verplaatsing, afstand, positie, oscillatie, trillingen en dikte. Daarom zijn ze bij uitstek geschikt voor het bewaken van machines en systemen - ze kunnen metingen uitvoeren in ruwe industriële omgevingen, zelfs waar druk-, vuil- of temperatuurschommelingen optreden.

Doorgaans worden wervelstroomverplaatsingssensoren gebruikt waar een hoge meetnauwkeurigheid vereist is en andere sensoren de heersende omgevingsomstandigheden niet aankunnen. Zo worden optische sensoren beïnvloed door vuil of stof in de meetspleet en door hoge temperaturen. Conventionele inductieve verplaatsingssensoren gebruiken ferrietkernen, die een relatief hoge lineariteitsfout en een lagere frequentierespons hebben. Ook neemt hun meetnauwkeurigheid af met fluctuerende omgevingstemperatuur.

Alleen geleidende metalen doelen, of ze nu ferromagnetisch of niet-ferromagnetisch zijn, kunnen worden gemeten met behulp van wervelstroomverplaatsingssensoren. Niet-geleidende materialen zijn onzichtbaar voor het wervelstroommeetsysteem en hebben dus geen invloed op de meetresultaten. Om deze reden kunnen deze sensoren door materialen zoals plastic en olie heen meten op metalen voorwerpen. Dit maakt toepassingen mogelijk zoals oliespleetmetingen en afstandsmetingen tegen rollen die plastic films geleiden.

Beperkingen van conventionele inductieve verplaatsingssensoren

De klassieke inductieve verplaatsingssensor maakt gebruik van een spoel die om een ​​ferromagnetische kern is gewikkeld. Vanwege die kern is de output niet-lineair, dus het moet ofwel worden gelineariseerd in de sensorelektronica, of de gebruiker moet rekening houden met deze niet-lineariteit in zijn fabrieksbesturingssysteem.

Naast niet-lineariteit omvatten andere beperkingen ijzerverliezen veroorzaakt door het feit dat de kern zelf het magnetische veld absorbeert. Deze verliezen nemen toe met de frequentie, in die mate dat een inductieve verplaatsingssensor de limieten van zijn prestaties bereikt bij ongeveer 100 metingen per seconde.

Een ander probleem met inductieve verplaatsingssensoren is hun gevoeligheid voor extreme temperatuurschommelingen vanwege de hoge thermische uitzettingscoëfficiënt van de ferrietkern. Dit maakt temperatuurcompensatie een uitdaging, wat normaal gesproken resulteert in een hoge thermische drift.

Wervelstroom versus capacitieve verplaatsingssensoren

Wervelstroom- en capacitieve sensoren detecteren de afstand tot een elektrisch geleidend meetobject op basis van veranderingen in het elektrische veld. Wervelstroomsensoren meten de afstand via de verandering in impedantie van de sensorspoel. Bij capacitieve detectie vormen de sensor en het meetobject de platen van een condensator.

Beide typen kunnen meten in het submicrometerbereik. Desalniettemin verschillen ze aanzienlijk met betrekking tot de werkomgeving. Wervelstroomsensoren zijn bij uitstek geschikt voor zware industriële omgevingen met vuil, stof en vochtigheid. Capacitieve sensoren daarentegen hebben het soort schone omgeving nodig dat te vinden is in de elektronicaproductie, laboratoria en cleanrooms.

Wervelstroomverplaatsingssensoren

Hoewel wervelstroomsensoren dezelfde wetten van magnetische inductie gebruiken als inductieve verplaatsings- en naderingssensoren, maakt hun luchtkernspoelconstructie een hogere nauwkeurigheid, meetsnelheid en stabiliteit mogelijk - niet-lineariteit en temperatuurafwijking zijn geen problemen.

Hun voordelen zijn onder meer:

• Snelle metingen tot 100 kHz.

• Hoge resolutie tot 0,5 m of beter.

• Hoge lineariteit.

• Hoge temperatuurstabiliteit bij wisselende omgevingstemperaturen, die zelfs kan worden verbeterd met ingebouwde actieve temperatuurcompensatie.

• Meting met behulp van ferromagnetische of niet-ferromagnetische doelmaterialen.

• Ze worden niet aangetast door hoge druk, hoge temperaturen, vuil, damp of olie.

Werkingsprincipe Wervelstroomsensor

Een wisselstroom in de detectiespoel wekt een veranderend magnetisch veld op. Dit veld induceert een stroom in het doel - de wervelstroom. De wisselstroom wervelstroom produceert zijn eigen magnetisch veld, dat zich verzet tegen het veld van de detectiespoel, waardoor de impedantie van de detectiespoel verandert. De hoeveelheid impedantieverandering is afhankelijk van de afstand tussen het doel en de detectiespoel in de sonde. De stroom in de detectiespoel, die afhankelijk is van de impedantie, wordt verwerkt om de uitgangsspanning te produceren, wat een indicatie is van de positie van het doel ten opzichte van de sonde.

Temperatuurcompensatie

Aangezien er verschillende ontwerpen van wervelstroomsensoren verkrijgbaar zijn bij Micro-Epsilon, kunnen ingenieurs de optimale sensor voor hun specifieke toepassing selecteren. Actieve temperatuurcompensatie is bijvoorbeeld nodig als zeer nauwkeurige metingen vereist zijn. Bij wisselende temperaturen zijn er twee factoren die het meetsignaal kunnen beïnvloeden:mechanische veranderingen, waarbij de geometrische afmetingen van de sensor en het doel veranderen in de vorm van verlenging of samentrekking van de sensor en het doel. En elektrische effecten hebben een nog grotere impact dan mechanische vanwege veranderende elektromagnetische eigenschappen.

De eddyNCDT 3001-serie is bijvoorbeeld speciaal ontworpen voor toepassingen waar conventionele inductieve verplaatsingssensoren vaak hun prestatielimieten hebben bereikt. Ze hebben compacte afmetingen en zijn verkrijgbaar in M12- en M18-behuizingen, met meetbereiken van 2 mm tot 8 mm. Ze zijn beschermd tot IP67 en dus toepasbaar in de automatisering, machinebouw en design. Bovendien zijn ze temperatuurgecompenseerd tot 70 °C. Ze hebben een hoge meetnauwkeurigheid en lineariteit, evenals een frequentierespons van 5 kHz en zijn in de fabriek gekalibreerd voor ferromagnetische en niet-ferromagnetische objecten zoals aluminium en staal.

Hydrostatische lagers

Een toepassing voor wervelstroomverplaatsingssensoren is in grote machines zoals steenmolens of telescopische installaties, die vaak werken met hydrostatische lagers. Deze lagersystemen worden via een externe druktoevoer continu voorzien van vloeibaar smeermiddel. Het smeermiddel wordt tussen de lageroppervlakken geperst, die daardoor continu van elkaar worden gescheiden door een dunne smeerfilm. De lageroppervlakken zijn niet onderhevig aan wrijving en werken daardoor slijtagevrij. Dit maakt submicrometer positieregeling mogelijk. Storingen in de hydrauliek of drukdalingen kunnen echter desastreuze gevolgen hebben. Dit kan leiden tot schade aan de lagers en uiteindelijk tot systeemstoringen, met hoge onderhouds- en reparatiekosten tot gevolg. De oliespleet in hydrostatische lagers vereist daarom een ​​continue betrouwbare inspectie. Voor deze toepassing wordt de sensor horizontaal op de lagerschoen gemonteerd, zodat deze niet direct wordt blootgesteld aan de oliedruk. Het meet door de oliefilm naar het tegenoverliggende lageroppervlak.

Verbrandingsmotoren

De exacte positie van de zuiger, de zuigerveren en de bestaande drukomstandigheden zijn essentiële informatie voor fabrikanten van verbrandingsmotoren. Met behulp van simulatietools worden deze gegevens voornamelijk gebruikt om betrouwbare voorspellingen te doen over slijtage, wrijving en olieverbruik. De wervelstroomsensor meet de zuigerveer en zogenaamde secundaire bewegingen van de zuiger, met hoge nauwkeurigheid. Hier zijn de voordelen van wervelstroomsensoren — weerstand tegen de hoge temperaturen in verbrandingsmotoren (tot 180°C en zelfs hoger voor een korte periode) — duidelijk. De heersende trillingen, druk, olie, brandstof, verbrandingsgas en continue mechanische beweging hebben geen invloed op de nauwkeurigheid van de resultaten. Bovendien bieden eddyNCDT-sensoren hoge meetsnelheden met kleine meetbereiken (0 – 0,5 mm) en extreem hoge resolutie (minder dan 1 m).

Miniaturisatie

Micro-Epsilon heeft een sensor ontwikkeld die gebruik maakt van embedded coil technologie (ECT) voor miniaturisatie. Deze productietechniek biedt een bijna onbeperkte speelruimte voor wat betreft het externe ontwerp en de geometrische vorm van de sensoren, terwijl de evaluatie-elektronica in de sensor kan worden geïntegreerd. Het is geconstrueerd door een tweedimensionale wervelstroomspoel in een anorganisch materiaal in te bedden, wat de stabiliteit, robuustheid en thermische weerstand van de sensoren verbetert. Deze sensoren zijn geschikt voor extreem zware toepassingen zoals ultrahoge vacuüms in de productie van halfgeleiders.

Wervelstroomverplaatsingssensoren — kleine maar krachtige industriële arbeiders

Deze kleine sensoren zijn ideaal voor industriële omgevingen, waar de meest veeleisende en uitdagende omgevingen toch uiterst nauwkeurige metingen vereisen. Ze kunnen in alles worden gebruikt, van het meten van de openingen in hydrostatische lagers in grote machines, de speling tussen zuiger en cilinder, tot afstandsmetingen ten opzichte van rollen die plastic films geleiden.

Dit artikel is geschreven door Martin Dumberger, Managing Director, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC). Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de heer Dumberger via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .