Bei Prüfgeräten reicht es nicht aus, genaue Messungen und Ergebnisse zu liefern. Diese Ergebnisse müssen bei jedem Einsatz der Maschine konsistent sein. Schwankungen zwischen den Testdaten deuten darauf hin, dass die erzielten Ergebnisse potenziell fehlerhaft und möglicherweise unbrauchbar sind. Diese Inkonsistenz schadet nicht nur der Validität der Tests – sie kostet den Betreiber Geld und Zeit, da er mehr Prüflinge testen muss, um einen quantitativ signifikanten Mittelwert zu erhalten. Anstelle von 25 oder 50 Tests an einer Komponente können 100 erforderlich sein.
Branchenstandards
Bevor die verschiedenen Technologien diskutiert werden, gilt es zu erläutern, wie die Branche Zuverlässigkeit und Konsistenz misst. In der Vergangenheit waren die Bemühungen, diese Faktoren zu quantifizieren, unterschiedlich erfolgreich. Im Jahr 2005 wurde jedoch eine neue Norm, ASTM E2309, veröffentlicht, die Standards für Methoden und Messgrößen für lineare Verschiebungen in Prüfgeräten festlegte. In Anlehnung an die Anforderungen der ASTM E2309 können die Konsistenz und die Zuverlässigkeit der mit linearen Positionssensoren erfassten Daten gemessen und zwischen verschiedenen Technologien verglichen werden.
ASTM E2309 hat vier Stufen der Genauigkeitsklärung:
Class A: +/- 0,5 % des Messwerts oder ± 0,001 Zoll (0,025 mm)
Class B: +/- 1,0 % des Messwerts oder ± 0,003 Zoll (0,075 mm)
Class C: +/- 2,0 % des Messwerts oder ± 0,005 Zoll (0,125 mm)
Class D: +/- 3,0 % des Messwerts oder ± 0,010 Zoll (0,250 mm)
Wie oben dargestellt, gibt es innerhalb jeder Klassifizierung zwei Genauigkeitsangaben – den relativen Fehler, der sich auf den Prozentsatz des Messwerts bezieht, und den festen Fehler, der sich auf den eigentlichen Messfehler selbst bezieht. Es gibt noch eine dritte Spezifikation, die mit der Messauflösung zusammenhängt, die aber für die hier dargestellten Punkte unbedeutend ist.
Zur Ermittlung der ASTM E3209-Einstufung sind zwei Datenläufe erforderlich. Anhand der Schwankungen zwischen diesen Läufen wird die Wiederholbarkeit der Messungen veranschaulicht.
Diese Klassifizierungen sind für die Hersteller wichtig, da sie den Unternehmen die Auswahl von Prüfgeräten erleichtern, die die genauen Parameter ihrer Anwendungen sowie die Erwartungen und Normen der Industrie erfüllen und gleichzeitig andere Faktoren wie Betriebskosten, einfache Installation und Umweltbedingungen berücksichtigen.
Messtechnologien
Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Messung des linearen Weges in Prüfgeräten ist heutzutage die Verwendung eines linearen Messwertaufnehmers (LVDT). LVDTs arbeiten durch die Messung eines elektrischen Stroms entlang eines zylindrischen ferromagnetischen Kerns. Ein metallisches Objekt bewegt sich entlang des Kerns und erzeugt ein Signal, das wiederum von drei Spulen, die entlang eines Rohres angeordnet sind, gemessen wird. Diese Technologie bietet mehrere Vorteile, darunter die Kompatibilität mit den meisten industriellen Geräten, die einfache Installation und die schnelle Inbetriebnahme (keine Neukalibrierung erforderlich).
Eine zweite Technologie, die Magnetostriktion, funktioniert durch die Induktion eines Schalldehnungsimpulses in einem speziell entwickelten magnetostriktiven Wellenleiter durch die momentane Wechselwirkung zweier Magnetfelder. Ein Feld kommt von einem beweglichen Permanentmagneten, der an der Außenseite des Sensorrohrs entlangläuft; das andere Feld kommt von einem Stromimpuls oder Abfrageimpuls, der entlang des Wellenleiters angelegt wird. Diese Wechselwirkung erzeugt einen Dehnungsimpuls, der sich mit Schallgeschwindigkeit entlang des Wellenleiters ausbreitet, bis der Impuls am Kopf des Sensors erfasst wird.
Die Position des Magneten wird durch Messen der verstrichenen Zeit zwischen dem Anlegen des Abfrageimpulses und der Ankunft des resultierenden Dehnungsimpulses hochpräzise bestimmt. Folglich wird eine genaue, berührungslose Positionsrückmeldung erreicht, ohne dass die Abtastkomponenten verschleißen. Die Magnetostriktion erfordert außerdem keine Neukalibrierung und kann in den meisten industriellen Umgebungen einfach installiert werden.
Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen
Unter perfekten Laborbedingungen (kontrollierte Temperatur, elektrische/magnetische Störungen, Schock, Vibration usw.) liefern die meisten Sensoren ziemlich konsistente Ergebnisse. Der wahre Indikator ist, wie sich das Produkt in realen Umgebungen verhält.
Insbesondere LVDTs sind anfällig für Umwelteinflüsse. LVDTs sind konstruktionsbedingt variable Wechselstromtransformatoren, was sie anfällig für Fehler durch Kabelkapazitäten, Impedanz, Demodulator-Phasenschwankungen und geringfügige Schwankungen in der physikalischen Wicklung des Transformators und seinem angepassten Kern macht. Da der Kern und der Transformator in konzentrischer und winkliger Ausrichtung bleiben, kann sich das Element außerdem mit der Zeit abnutzen, insbesondere in Verbindung mit Sand oder anderen Verunreinigungen.
Vergleich – Die Vorteile der Magnetostriktion
Obwohl LVDTs immer noch eine starke Position auf dem Markt haben, sind durch direkte Vergleiche unter Verwendung der ASTM E2309 die Vorteile der Magnetostriktion offensichtlich. Während LVDTs Schwierigkeiten haben, die Spezifikationen der Klasse C (± 2,0 % des Messwerts oder ± 0,005 Zoll) über den physikalischen Bereich bei Längen von >25 cm unter Verwendung typischer Linearisierungsalgorithmen einzuhalten, können die meisten magnetostriktiven linearen Positionierungssensoren problemlos die Klasse A (± 0,5 % des Messwerts oder ± 0,001 Zoll) einhalten, insbesondere wenn sie unter realen Feldbedingungen gemessen werden. Dieser Vorteil wird noch deutlicher bei Anwendungen, bei denen sehr große Hublängen (>100 cm) oder hohe Messgeschwindigkeiten (50 cm/Sekunde) erforderlich sind.
Magnetostriktive Sensoren sind im Vergleich zu LVDTs auch weniger anfällig für Umwelteinflüsse wie EM-Störungen, Stöße und Vibrationen. Da die magnetostriktiven Sensoren keine beweglichen Teile verwenden, sind Verschleiß und Abnutzung durch ständigen Gebrauch kein Thema. Diese Sensoren können auf unbestimmte Zeit mit wenig oder gar keiner Wartung arbeiten. Sie können in praktisch jedem Raum montiert werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Magnetostriktive Sensoren sind mit vielen verschiedenen elektronischen Protokollen kompatibel, darunter EtherNet/IP™, EtherCAT®, Profibus, DeviceNet, CANbus, SSI, Analog und allgemeines Ethernet. MTS Systems Corp., Sensor Division, hat kürzlich ein Modell mit separater Elektronik vorgestellt.Durch das Herausnehmen der Elektronik können Hersteller ohne Abstriche bei der Sensorleistung empfindliche Geräte weiter aus rauen Umgebungen entfernen, in denen sie durch Temperatur, Schock, Vibration oder andere Bedingungen beschädigt werden können.
Schlussfolgerungen
Während LVDTs in Anwendungen mit geringerer Leistung immer noch einen Wert darstellen, bietet die Magnetostriktion greifbare Vorteile in Anlagen, bei denen langfristige, zuverlässige Daten unerlässlich sind. In Prüfgeräten werden magnetostriktive lineare Positionierungssensoren konsistentere Ergebnisse bei geringerem Verschleiß liefern und eine wesentlich höhere ASTM E2309-Klassifizierung ermöglichen, so dass die Hersteller die Anwendungsspezifikationen, Kundenerwartungen und Industrievorschriften besser erfüllen können.