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Industrielle Automation 3/2015

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Industrielle Automation 3/2015

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2015 I SPECIAL Magnetoresistive Sensoren werden u.a. in Fahrzeugen, Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder Windturbinen für die Erfassung von Weg, Winkel, elektrischem Strom oder Magnetfeldern eingesetzt Smarte Sensoren Der magnetoresistive Effekt als zukunftsweisende Technologie für die Zustandsüberwachung und zerstörungsfreie Prüfung Rolf Slatter Miniaturisierte Sensoren sind eine der grundlegenden Bausteine für neue Systeme der Zustandsüberwachung und zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Dabei ist der magnetoresistive Effekt eine besonders vielversprechende Sensortechnologie in diesem wachsenden Feld. Sie erfassen Werkstoff-, Bauteil- oder Maschinencharakteristiken und liefern frühzeitig Informa tionen, die vor Schäden warnen. Zudem sind sie minimal-invasiv, robust, miniaturisiert und ermöglichen Messungen an nahezu jedem Ort. Das Interesse an neuen Ansätzen der Zustandsüberwachung steigt deutlich stärker als die „Industrie 4.0“ Initiative sich weiterentwickelt. Neue Methoden der Verfolgung von Maschinenparametern, um Veränderungen zu erkennen, die einen sich abzeichnenden Schaden oder Ausfall anzeigen, sind ein wichtiger Baustein der vorbeugenden Instandhaltung. Maschinenausfälle können häufiger vermieden und dadurch die Maschinenverfügbarkeit deutlich gesteigert werden. Unter dem Dachbegriff „Lebenszyklusmanagement“ sind verschiedene Methoden entstanden, die jedoch viele Gemeinsamkeiten haben. Alle nutzen Sensoren um Werkstoff-, Bauteiloder Maschinencharakteristiken zu erfassen, um eine Frühwarnung über entstehenden Schäden zu geben. Idealerweise sind diese Sensoren minimal-invasiv, robust und miniaturisiert, um Messungen an jedem Ort zu ermöglichen. Aufgrund verschiedener Faktoren haben sich in der letzten Zeit die Entwicklungen in diesem Bereich beschleunigt. Bei immer mehr Maschinen wird die Anwendung von Zustandsüberwachung durch die Verfügbarkeit von neuen Technologien für „Smart Sensors“, die stetige Steigerung (und Vergünstigung) von verfügbarer Rechenleistung sowie die Entwicklung von neuen Algorithmen für die schnelle Auswertung und Interpretation von Sensordaten ermöglicht. und Interpretation von Sensordaten er möglicht. Neue gesetzliche Regelungen spielen eine wichtige Rolle, z. B. die verpflichtende Anwendung von Zustandsüberwachung bei Offshore-Windturbinen. Dr. Rolf Slatter, CEO, Sensitec GmbH in Lahnau 20 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015

sensOr + test 19. - 21. Mai 2015 Halle 12 / Stand 228 AMR GMR (Spin-Valve) TMR Signalstärke (ΔR/R) < 4 % < 15 % < 200 % Richtung des Stromflusses Unterschiede zwischen xMR-Technologien Parallel zur Schichtebene Parallel zur Schichtebene Senkrecht zur Schichtebene Topologie Mäander Mäander Punkt HOHe Messgenauigkeit. aucH bei niedrigen taupunkten. Sensoranforderungen, über die Leistungseigenschaften… Von der Werkstoffcharakterisierung, über die zerstörungsfreie Prüfung während des Produktionsprozesses sowie die Prüfung von Komponenten und Produkten, bis hin zur Zustandsüberwachung von Maschinen und Produkten im Betrieb, ist die Anzahl an Anwendungen für intelligente Sensoren sehr hoch. Methoden der zerstörungsfreien Prüfung werden üblicherweise für die periodische Prüfung von stationären Anlagen angewandt, oder während des Produktionsprozesses von Komponenten oder Maschinen, bevor sie in Betrieb gehen. Andererseits werden Methoden der Zustandsüberwachung hauptsächlich im Bereich von rotierenden Maschinen während des Betriebs angewandt. Interessanterweise sind die Anforderungen an Sensoren für beide Anwendungsarten sehr ähnlich. Die Anforderungen an Sensoren können in drei Gruppen unterteilt werden: Leistungseigenschaften, physikalische Eigenschaften und Funktionalität. Sind die zu beobachtenden Maschinenparameter identifiziert, erfolgt die Analyse der Charakteristiken dieser Parameter, z. B. Messbereich und Bandbreite. Diese Charakteristiken werden typischerweise aus historischen Messdaten oder Produktspezifikationen hergeleitet. Auf Basis dieser Informationen können die geforderten Leistungseigenschaften der Sensoren bestimmt werden. Es gibt viele Leistungseigenschaften, die in fast allen Anwendungen relevant sind, z. B. hohe Empfindlichkeit, hohe Dynamik, hohe absolute Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit, hohe Auflösung, hohe Bandbreite und kurze Antwortzeit. Die bestmögliche Gesamtleistung bei den Sensoren ist anzustreben, um Unsicherheiten bei der Diagnose und Prognose zu vermeiden und die Effektivität der Zustandsüberwachung zu optimieren. … über die physikalischen Merkmale... Aber auch die physikalischen Eigenschaften der Sensoren sind bedeutsam. In vielen Anwendungen ist die physikalische Größe des Sensors das wichtigste Auswahlkriterium. Aufgrund des begrenzten Bauraums für die Integration des Sensors oder angesichts der Unzugänglichkeit der Orte, an denen gemessen werden soll. Die Masse des Sensors muss in vielen Anwendungen so niedrig wie möglich gehalten werden, um eine Veränderung der dynamischen Charakteristiken des Gesamtsystems zu vermeiden. Eine Unterbringung der Sensoren so nah wie möglich an der „idealen“ Messstelle kann die Zeit die zur Verfügung steht, um auf einen einsetzenden Schaden zu reagieren, maximieren. Viele erfolgreiche neue Anwendungen nutzen „embedded“ Sensoren, die tief in der zu überwachenden Maschine integriert sind, genau an der Stelle, wo ein Schaden entstehen könnte. … bis hin zur Funktionalität Weiterhin ist die Funktionalität des Sensors sehr wichtig. Ein niedriger Energiebedarf ist eine zunehmend wichtige Eigenschaft eines Sensorsystems, da es bedingt, wie lange der Sensor Messdaten erfassen kann, ohne Anschluss an eine externe Leistungsversorgung. Besonders in drahtlosen Anwendungen muss ein Sensorsystem über ausreichende Leistung verfügen, um den Leistungsbedarf regeln können, ansonsten werden die mögliche Datenrate und das Datenvolumen begrenzt. Ein nie driger Energiebedarf ermöglicht auch die Nutzung von neuen „Energy Harvesting“ Methoden, um autonome Sensoren zu versorgen. Verschiedene Sensortechnologien sind erforderlich, um die unterschiedlichen mechanischen (Schwingung oder Bewegung), elektrischen, magnetischen, akustischen oder thermischen Größen, die verfolgt werden sollen, zu erfassen. Aufgrund ihrer prinzipiellen Robustheit sowie der Fähigkeit, Informationen durch ein Medium zu vermitteln, sind magnetische Sensoren besonders gut für die Erfassung von mechanischen, elektrischen oder magnetischen Parametern in der Zustandsüberwachung oder zerstörungsfreien Prüfung geeignet. ee355 - kompakter OeM taupunkmessumformer » Messbereich -60...60°C Td » Modbus RTU und 40...20mA Ausgang » Edelstahlgehäuse TAUPUNKTMESSUMFORMER Taupunktmessumformer von E+E Elektronik ermöglichen die exakte Messung besonders niedriger Taupunkte bis -60°C Td. Ein spezielles Autokalibrationsverfahren sorgt für eine hohe Messgenauigkeit von

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