Hoogpreciese waelstroom-verplaatsingssensoren voor industriële toepassingen

Waelstroom-verplaatsingssensoren behoren tot de inductieve verplaatsingsgroep van sensoren en zijn goed aangepast voor industriële toepassingen. In tegenstelling tot conventionele inductieve sensoren, stelt het meetprincipe voor waelstroomsensoren metingen toe op non-ferromagnetische materialen (bijv. aluminium) alsook ferromagnetische materialen (bijv. staal). Ze zijn ontworpen voor contactloze en slijtvrije metingen van verplaatsing, afstand, positie, trilling, trilling, en dikte. Daarom zijn ze ideaal geschikt voor het monitoren van machines en systemen — ze kunnen metingen doen in harde industriële omgevingen, zelfs waar druk, vuil, of temperatuursfluctuaties voorkomen.

Typisch worden waelstroom-verplaatsingssensoren gebruikt waar hoge meetnauwkeurigheid vereist is en andere sensoren niet kunnen tegen de heersende omgevingscondities. Optische sensoren, bijvoorbeeld, worden beïnvloed door vuil of stof in de meetspeling en door hoge temperaturen. Conventionele inductieve verplaatsingssensoren gebruiken ferrietkernen, die een relatief hoge lineariteitsfout en een lagere frequentierespons hebben. Ook hun meetnauwkeurigheid neemt af met fluctuerende omgevingstemperatuur.

Alleen geleidende metallische doelen, ofwel ferromagnetisch of non-ferromagnetisch, kunnen gemeten worden met waelstroom-verplaatsingssensoren. Niet-geleidende materialen zijn onzichtbaar voor het waelstroommeetsysteem en hebben dus geen effect op de meetresultaten. Om die reden kunnen deze sensoren meten door materialen zoals kunststoffen en olie op metallische objecten. Dit maakt toepassingen mogelijk zoals oliespelingmetingen en afstandsmetingen tegenover rollen die plastic films leiden.

Beperkingen van conventionele inductieve verplaatsingssensoren

De klassieke inductieve verplaatsingssensor gebruikt een spoel gewonden om een ferromagnetische kern. Vanwege die kern is de uitgang niet-lineair, dus moet het ofwel gelineariseerd worden in de sensorelektronica of de gebruiker moet rekening houden met deze non-lineariteit in hun installatiebesturingssysteem.

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

Een ander probleem met inductieve verplaatsingssensoren is hun gevoeligheid voor extreme temperatuursvariaties door de hoge thermische uitdijingscoëfficiënt van de ferrietkern. Dit maakt temperatuurcompensatie uitdagend, normaal resulterend in hoge thermische drift.

Waelstroom vs Capacitieve Verplaatsingssensoren

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

Beide typen kunnen meten in het submicrometerbereik. Niettemin, verschillen ze aanzienlijk met betrekking tot de operationele omgeving. Waelstroomsensoren zijn ideaal geschikt voor harde industriële omgevingen die vuil, stof en vocht omvatten. Capacitieve sensoren aan de andere kant, vereisen de soort schone omgevingen die te vinden zijn in elektronica-productie, laboratoria en schone kamers.

Waelstroom-verplaatsingssensoren

Hoewel waelstroomsensoren dezelfde wetten van magnetische inductie hanteren als inductieve verplaatsings- en nabijheidssensoren, stelt hun air-core spoelconstructie hogere nauwkeurheid, meetsnelheid en stabiliteit in — non-lineariteit en temperatuurdrift zijn geen problemen.

Hun voordelen omvatten:

• Snelle metingen tot 100 kHz.

• Hoge resolutie tot 0,5 μm of beter.

• Hoge lineariteit.

• Hoge temperatuurstabiliteit in fluctuerende omgevingstemperaturen, wat zelfs verbeterd kan worden met ingebouwde actieve temperatuurcompensatie.

• Meting met behulp van zowel ferromagnetische als non-ferromagnetische doelmaterialen.

• Ze worden niet beïnvloed door hoge druk, hoge temperatuur, vuil, damp of olie.

Werkingsprincipe van Waelstroomsensor

Een wisselstroom in de meetspoel produceert een veranderlijk magnetisch veld. Dit veld induceert een stroom in het doel — de waelstroom. De wisselende waelstroom produceert zijn eigen magnetisch veld, dat de meetspoel's veld tegenwerkt, waardoor de impedantie van de meetspoel verandert. De hoeveelheid impedantieverandering is afhankelijk van de afstand tussen het doel en de meetspoel in de meetkop. Stroomdoorloop in de meetspoel, die impedantie-afhankelijk is, wordt verwerkt om de uitgangsspanning te produceren, wat een indicatie is van de positie van het doel ten opzichte van de meetkop.

Temperatuurcompensatie

Omdat verschillende waelstroomsensorontwerpen beschikbaar zijn bij Micro-Epsilon, kunnen ingenieurs de optimale sensor voor hun specifieke toepassing selecteren. Bijvoorbeeld, actieve temperatuurcompensatie is nodig als uiterst nauwkeurige metingen vereist zijn. Bij varierende 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 uitrekking of krimp van de sensor en het doel. En elektrische effecten hebben een nog grotere impact dan mechanische vanwege veranderende elektromagnetische kenmerken.

Bijvoorbeeld, de eddyNCDT 3001-serie is speciaal ontworpen voor toepassingen waar conventionele inductieve verplaatsingssensoren vaak hun prestatiegrenzen hebben bereikt. Ze hebben compacte afmetingen en zijn beschikbaar in M12- en M18-behuizingen, die meetbereiken van 2mm tot 8mm dekken. Ze zijn beschermd tot IP67, en dus toepasbaar in automatisering, machinebouw en ontwerp. Bovendien zijn ze temperatuurgecompenseerd tot 70 °C. Ze hebben hoge meetnauwkeurigheid en lineariteit alsook een 5-kHz frequentierespons en zijn fabrieksgecalibreerd voor ferromagnetische en non-ferromagnetische objecten zoals aluminium en staal.

Hydrostatische Lagers

Een toepassing voor waelstroom-verplaatsingssensoren is in grote machines zoals stenen malen of telescopische installaties, die vaak werken met hydrostatische lagers. Deze lager-systemen worden continu voorzien van vloeibaar smeermiddel via een externe drukvoorziening. Het smeermiddel wordt gedrukt tussen de lageroppervlakken, die daarom continu van elkaar gescheiden zijn door een dunne smeermiddelfilm. De lageroppervlakken blootgesteld aan wrijving en werken dus slijtvrij. Dit maakt sub-micrometer positiecontrole mogelijk. Elke verstoring in de hydrauliek, of dalingen in druk, kunnen echter désastreuze gevolgen hebben. Dit kan leiden tot schade aan de lagers en uiteindelijke systeemstoring, wat hoge onderhouds- en reparatiekosten veroorzaakt. De oliespeling in hydrostatische lagers vereist dus continue betrouwbare inspectie. Voor deze toepassing wordt de sensor horizontaal gemonteerd aan de lagerschoen, zodat hij niet direct blootgesteld is aan de oliedruk. Het meet door de oliefilm heen op het tegenovergestelde lageroppervlak.

Verbrandingsmotoren

De exacte positie van de zuiger, de zuigerringen en de bestaande drukcondities zijn essentiële informatie voor fabrikanten van verbrandingsmotoren. Met behulp van simulatietools wordt deze data primair gebruikt om betrouwbare voorspellingen te maken over slijtage, wrijving en olieverbruik. De waelstroomsensor meet de zuigerring en de zogenaamde zuiger secundaire bewegingen, met hoge nauwkeurigheid. Hier zijn de voordelen van waelstroomsensoren — weerstand tegen de hoge temperaturen in verbrandingsmotoren (tot 180°C en zelfs hoger voor een korte periode) — duidelijk. De heersende trilling, druk, olie, brandstof, verbrandingsgas en continue mechanische beweging, beïnvloeden de precisie van de resultaten niet. Bovendien bieden eddyNCDT-sensoren snelle meetsnelheden met kleine meetbereiken (0 – 0,5 mm) en extreem hoge resolutie (minder dan 1μm).

Miniaturisatie

Micro-Epsilon heeft een sensor ontwikkeld die embedded coil technology (ECT) gebruikt voor miniaturisatie. Deze productietechniek stelt bijna onbeperkte mogelijkheden in termen van extern ontwerp en geometrische vorm van de sensoren, terwijl de evaluatie-elektronica in de sensor geïntegreerd kan worden. Het wordt geconstrueerd door een tweedimensionale waelstroomspoel in een anorganisch materiaal in te sluiten, wat de stabiliteit, robuustheid en thermische weerstand van de sensoren verbetert. Deze sensoren zijn geschikt voor extreem harde toepassingen zoals ultra-hoge vacuum in halfgeleiderproductie.

Waelstroom-verplaatsingssensoren — Klein maar krachtige industriële werktuigen

Deze kleine sensoren zijn ideaal voor industriële omgevingen, waar omgevingen het hardst en meest uitdagend zijn, maar toch extreem nauwkeurige metingen vereisen. Ze kunnen gebruikt worden in alles, van het meten van de gaten in hydrostatische lagers in grote machines, de playing tussen zuiger en cylinder, tot afstandsmetingen tegenover rollen die plastic films leiden.

Dit artikel is geschreven door Martin Dumberger, Managing Director, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC). Voor meer informatie, contacteer Mr. Dumberger op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft JavaScript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .