Messtechnik Drehmoment so einfach wie Temperatur messen Bild 1: Drehmoment-Messkurve eines Active-2-Sensors, aufgenommen an einer Welle mit 10 mm Durchmesser. Das ferromagnetische Wellenmaterial ist gehärtet: 45NiCr16. Der Abstand zwischen der Welle (Test-Objekt) und der Wellen-Oberfläche betrug 0,5 mm (Luftabstand). Auf der Y-Achse ist das analoge Ausgangssignal von 0 bis +5 Volt aufgetragen. Der in der Grafik gezeigte Drehmoment- Messbereich (X-Achse) reicht von -10 Nm bis +10 Nm. Die Messkurve ist mehrmals aufgenommen worden um die geringe Signal-Hysterese zu demonstrieren. Mechanisch angetriebene Geräte (Pumpen, Elektrische Werkzeuge, Windkraftwerke, Elektrofahrräder) haben einen großen Vorteil, wenn eine Echtzeitdrehmomentmessung zur Verfügung steht. Durch die Verfügbarkeit eines Echtzeit-messenden Drehmomentsensors hat man die Leistung in dem Moment zur Verfügung in der man sie benötigt, ohne dass das Gerät durch Überlast beschädigt wird, oder das der Arbeitsprozess nachteilig beeinflusst wird. Wichtige Argumente sind der Vorteil durch verbesserten Komfort in der Bedienung sowie deutlich mehr Sicherheit, Reduzierung des Energieverbrauchs und der Gesamtkosten. Die Torque And More GmbH hat ein Drehmoment-Sensor-System entwickelt, das mit großer Genauigkeit Drehmoment und Biegekräfte messen kann: Durch einfaches Heranhalten des Sensors an die zu messende Stelle, genauso wie man Temperatur messen würde. Was viele in der Vergangenheit versucht haben, wird jetzt Realität: Ein einfach anzuwendender, verlässlicher und kostengünstiger Weg in Echtzeit Drehmoment Messungen durchzuführen. Was hat sich geändert, und wie machen sie das? Basierend auf dem Effekt von Materialveränderungen Mechanische Kräfte die auf ein Objekt einwirken, wie z.B. auf eine Getriebewelle, ändern die physikalischen Eigenschaften. Gewissermaßen wird das Objekt optisch erkennbar verdreht (wenn man größere Drehmomente anlegt) möglicherweise tritt sogar der Zustand der plastischen Verformung ein. Andere physikalische Effekte (wenn Drehmoment angelegt wird) sind Bild 2: Das Sensor-Modul wird von der Seite an das Test-Objekt (Welle) herangeführt und mit einem Abstand von wenigen Millimetern zur Welle fest montiert. Da es sich um eine berührungslose Messmethode handelt, kann sich die Welle in jeder beliebigen Geschwindigkeit und Richtung drehen. Das eigentliche Sensorelement befindet sich in dem vorderen, orangefarbenen Teil des Sensor-Moduls. für die menschliche Wahrnehmung nicht sofort erkennbar, aber finden dennoch innerhalb des mechanisch belasteten Testobjektes statt. Betrachten wir beispielsweise einmal das Erdmagnetfeld, welches uns fast überall umgibt. Ferromagnetische Objekte ziehen das Erdmagnetfeld an (das gilt für jede Art von Magnetfeld) und leiten es in irgendeiner Form durch das Objekt hindurch. Wieviel von dem magnetischen Feld durch das Objekt hindurch geleitet wird, und welchen Pfad es innerhalb des Objektes nehmen wird, ist zu einem großen Teil durch die angelegten mechanischen Kräfte die an dem Testobjekt auftreten beeinflusst (wie z.B. Drehmoment, Biege- und Axiale- Lastkraft). Das Forschungsteam der Torque And More GmbH hat ein spezielles Magnetfeldsignal entwickelt, welches das Testobjekt (Welle) durchdringt und damit die physikalischen Eigenschaftsänderungen des Objektes messen kann. Durch das Analysieren dieser Messungen kann eine genaue Aussage gemacht, welche mechanischen Kräfte auf das Testobjekt in Echtzeit einwirken. Die Funktion des Sensorelementes Das eigentliche Sensorelement (Sensor) ist nicht viel größer als ein kleiner Legobaustein und muss nur an die Stelle gehalten werden, von der Drehmomentmessungen gemacht werden sollen. Dabei muss das Sensorelement das Testobjekt nicht berühren, und kann sogar einige Millimeter entfernt davon angebracht werden, um somit von einer stehenden oder sich schnell drehenden Welle Messungen zu machen. Das Sensorelement sendet ein sehr spezifisches magnetisches Signal aus, dass die Oberfläche des Testobjektes durchdringt. Das zurückkommende Signal beinhaltet alle Informationen die benötigt werden, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, dass sich proportional zum gemessenen Drehmoment verhält. Es gibt mindestens fünf verschiedene Wege wie ein ferromagnetisches Objekt (Welle) ein in der Umgebung befindliches Magnetfeld 24 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015
Messtechnik Bild 3: Das Active-2 Sensor-Modul kann innerhalb weniger Minuten an eine Messstelle angebracht werden. Das mit einem Drehmomentschlüssel aufgebrachte Drehmoment wird über eine analoge Signalschnittstelle ausgegeben und in diesem Fall am Bildschirm angezeigt. manipuliert und beeinflusst. Jeder dieser verschiedenen Effekte kann dazu verwendet werden mechanische Kräfte an dem Testobjekt zu messen. Welcher dieser Effekte die beste und zuverlässigste Drehmoment-Messung ermöglicht, hat das Engineering Team in den vergangen Jahren erforscht und analysiert. Ein Wechsel des Magnetfeldes mit einer bestimmten Frequenz (im hörbaren Bereich) und sehr geringer Intensität wird innerhalb des Sensor elementes erzeugt und abgestrahlt. Das zurückkommende und analysierte magnetische Signal wird dann mit dem Signal verglichen, welches vor Anlegen des Sensors an das Testobjekt gemessen wurde. Vergleiche In der Vergangenheit mussten zur Drehmomentmessung Dehnungsmessstreifen oder SAW (Service Akustik Wave) Elemente dauerhaft auf das Testobjekt befestigt werden. Andere Drehmoment-Messmethoden erfordern die permanente Magnetisierung des Testobjektes, bevor der eigentliche Drehmomentsensor angebracht werden kann. Auch das Messen der tatsächlichen Verformung des Testobjektes mit einem Differential-Winkelmessgerät an zwei verschiedenen Stellen der Welle ist eine häufig verwendete Option. Die meisten der in der Vergangenheit verwendeten Drehmoment-Messmethoden erfordern, dass eine physikalische Veränderung am Testobjekt (Welle) durchgeführt wird. In vielen Applikationen ist das ein Grund weshalb ein Drehmomentsensor bisher nicht anwendbar war (zu hohe Kosten, hohe Komplexität, zeitraubende Logistik und Unhandlichkeit) Dazu kommt noch die Tauglichkeit der bekannten Drehmoment- Messmethoden in Applikationen in rauer Umgebungsbedingung. Staub, Schmutz, Luftfeuchtigkeit, hohe Temperaturen und mechanische Vibration sind für viele Technologien nur schwer oder gar nicht akzeptabel um unter diesen Bedingungen das Drehmoment messen zu können. Keine Gefährdung durch Überlast-Drehmoment Wenn zur Messung von Drehmoment ein magnetisches Messprinzip verwendet wird, dann kann die Sensorlösung so konzipiert werden, dass diese für eine raue Umweltbedingung tauglich ist (Wasser Öl, Staub, Vibration, Luftspaltänderung usw.). Das hier vorgestellte magnetische Messverfahren hat noch den zusätzlichen Vorteil, dass es keinen Schaden nimmt, wenn die Kräfte am Testobjekt beliebig groß werden. Sensorsystem-Design und Anwendung Diese neue berührungslose Drehmoment-Sensor-Technologie hat den Namen „Active 2” oder abgekürzt „A2” von ihrem Team bekommen, und ist in weniger als einer Minute einsatzbereit am Messobjekt. Es gibt keinerlei Anforderungen an das Messobjekt (Getriebeschaft) außer, dass es aus ferromagnetischem Material sein muss. Es besteht keine Notwendigkeit die Welle zu verändern oder anzupassen. Die Welle ist das Testobjekt im ursprünglichen Zustand und bleibt unverändert. Der A2-Sensor besteht aus dem Sensor-Modul (kleines Bauteil, nahe der Messstelle angebracht wird) und der Sensorelektronik. Im Sensormodul selbst werden nur passive Bauelemente verwendet weshalb dieses Bauteil für raue Umweltbedingungen so geeignet ist (z.B. Betriebstemperaturen größer 210 °C möglich). Der Kunde hat die Möglichkeit die Sensorelektronik an der Stelle zu montieren, die für empfindliche Elektronik geeignet ist. Der A2-Drehmomentsensor ist wieder verwendbar für verschiedenste Applikationen und Wellengrößen. Das Sensormodul ist einfach zu handhaben: Es wird nah an das Messobjekt gehalten und schon können die Messungen beginnen. Autor: Lutz May Sensor+Test Nürnberg, Halle 12, Stand 554 • Torque And More GmbH info@tam-sensors.com www.tam-sensors.com Bild 4: Das frei programmierbare Active-2 Sensor-Kit wird mit allem geliefert, was für eine Drehmomenten-Messung benötigt wird: Universal AC-Netzteil (+12 Volt DC-Ausgang), Sensor-Module, Sensor- Elektronik mit eingebauter OLED Text-Anzeige und Eingabefeld, USB- Interface, Windows-PC-Software, und detaillierte Bedienungsanleitung. Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2015 25
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