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Magnetisch überwacht

Text: Gerhard Fiedler, NCTE
Drehmomente werden oft mit Dehnungsmessstreifen gemessen. Ihre Schwäche liegt jedoch in der Verklebung, die nicht jeder Anwendung gewachsen ist. Das Problem löst ein Sensorsystem, das sich magnetische Maschinenteile zu Nutze macht.

Die Ansprüche an hochwertige Produktionsmaschinen sind beträchtlich: Bei maximaler Produktivität und größtmöglicher Ausfallsicherheit muss die Qualität der Endprodukte stets konstant bleiben; hinzu kommen immer anspruchsvollere Fertigungstoleranzen und strenge regulatorische Vorgaben zur Online-Prozesskontrolle. Entsprechend wichtig ist eine kontinuierliche Überwachung der Maschinen, insbesondere der anliegenden Kräfte und Drehmomente. Allerdings war dies bislang eine schwierige Aufgabe: Meist werden Systeme mit Dehnungsmessstreifen eingesetzt, um Drehmomente zu messen. Die Messstreifen werden verklebt. Doch Kleber hält hohen Temperaturen, Schmiermitteln, Ölen und anderen Flüssigkeiten sowie Biegungen und Vibrationen in der Regel nicht stand.

Magnetostriktion im Sensor

NCTE verwendet deshalb eine spezielle Technik, die ein Verkleben unnötig macht: Bereits vorhandene Maschinenteile, etwa Getriebeeingangs- und -ausgangswellen oder Gelenkwellen, werden mit Hilfe von Strompulsen dauerhaft magnetisiert. Dadurch entsteht unter der Wellenoberfläche ein langzeitstabiles, schwaches Magnetfeld. Dieses verändert sich, sobald das Drehmoment zu- oder abnimmt; hochauflösende Magnetfeldspulen detektieren die Veränderung berührungslos in einem Abstand von bis zu drei Millimetern. Eine Auswerteelektronik erfasst die Veränderungen des Magnetfelds innerhalb von Mikrosekunden und wandelt sie in sichtbare und damit nutzbare elektrische Signale um. Die Welle wird also selbst Teil des Sensors; dadurch ist das System robust gegenüber den rauen Umgebungen in Maschinen und Anlagen, es arbeitet langzeitstabil und ist wartungsfrei. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips sind keine Schleifkontakte vorhanden, die störanfällige Übertragung der Signale via Telemetrie entfällt; dadurch arbeitet die Sensorik deutlich zuverlässiger als Dehnungsmessstreifen.

Diese Vorteile nutzt auch einer der größten deutschen Extruderhersteller. Er setzt die NCTE-Sensorik in Doppelwellenextrudern ein, um das anliegende Drehmoment direkt an den beiden Kupplungshülsen zu messen und so die Produktionsprozesse zu analysieren. Extruder mischen verschiedene Bestandteile wie Granulate und Pulver, schmelzen diese auf und bringen sie in die gewünschte Form. Schneckenwellen sind das Herz dieser Fördergeräte: Sie kneten die Masse und befördern diese bis zum Ende des Extruders, wo sie schließlich unter hohem Druck durch eine Düse gepresst wird.

Exakte Analysen schützen

Der deutsche Extruderhersteller hat sich für die Drehmomentsensorik von NCTE entschieden, da sie ohne größeren Aufwand an vorhandenen Maschinen nachgerüstet werden kann; die einzelnen Komponenten sind modular austauschbar. Der Sensor liefert hoch aufgelöste, exakte Messwerte, was sehr genaue Analysen der Produktionsprozesse ermöglicht. Zusätzlich lässt er sich einsetzen, um Maschinen zu überwachen und zu steuern: Unregelmäßigkeiten in der Materialzuführung oder andere Störungen des Betriebsablaufs können dazu führen, dass die Wellen blockieren; wird der Druck im Extruder zu groß, können die Schneckenwellen und das Getriebe beschädigt werden. Um dies zu verhindern, wird an den Kupplungshülsen zwischen Getriebe und Verfahrensteil ein Drehmomentsensor eingesetzt. Erkennt er eine zu hohe Belastung, gibt er die Daten direkt an die Steuerung weiter; das Drehmoment wird innerhalb von Sekundenbruchteilen angepasst oder der Extruder abgeschaltet. Dies schützt die Maschine und spart Instandhaltungskosten, die gesamte Produktion wird effizienter. Für diesen Prozess ist ein geglättetes Mess-Signal erforderlich; deshalb benötigen Anwender eine entsprechende Lösung, die es erlaubt, die hohe Auflösung der Sensorik zu nutzen, ohne die Überwachung der Maschine zu empfindlich zu gestalten.

Auch in anderen Maschinen und Anlagen ist die Drehmomentsensorik bereits erfolgreich im Einsatz, beispielsweise in Richtmaschinen, die Bleche glätten. Die Bleche werden durch zwei übereinanderliegende Lagen von Rollen hindurchgeführt, die durch Gelenkwellen angetrieben werden. Dabei besteht die Gefahr, dass sich die Bleche verkanten. Die enormen Kräfte, die dabei entstehen, können zu einer Überlastung, zu Schäden an den Gelenkwellen und letztlich zu einem Stillstand der Produktion führen. Um dies zu verhindern, werden auf allen Gelenkwellen oder entsprechenden Kupplungsstücken Drehmomentsensoren appliziert und direkt mit der Steuerung verbunden. Erkennt der Sensor, dass die Belastung zu hoch wird, wird der Antrieb geregelt.

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