Magnetoresistive Sensoren

Intelligenz für die Zustandsüberwachung

Magnetoresistive Sensoren ermöglichen vielseitige Lösungen für ganz unterschiedliche Branchen und Applikationen. Das magnetoresistive Messprinzip hat aufgrund seiner besonderen Eigenschaften neben den klassischen Anwendungen in der Automatisierung  und dem Automotive-Sektor großes Potenzial für die Zustandsüberwachung.

Der Wettbewerb in der Investitionsgüterindustrie wird derzeit durch viele Faktoren beeinflusst, u. a. durch die Globalisierung, Industrie 4.0 und zunehmenden Preisdruck. Maschinenbauer müssen sich  differenzieren, z.B. indem sie individuelle Pakete schaffen, bestehend aus technischen Produkten und lebenszyklusorientierten Services, sogenannte Produkt-Service-Systeme (PSS). Es gibt einen zunehmenden Bedarf an verfügbarkeitsorientierten Produkt-Service-Systemen, bei denen der Maschinenbauer die Verfügbarkeit der Anlage oder des Produktes garantiert und damit einen Teil des Herstellungsrisikos des Kunden übernimmt. PSS können durch verschiedene Geschäftsmodelle angeboten werden. Allerdings sind viele Maschinenbauer weiterhin zurückhaltend, wenn es darum geht, Garantien bezüglich der Maschinenverfügbarkeit anzubieten aufgrund von fehlender Transparenz in Bezug auf den Maschinenzustand zu geben. Dies wiederum behindert zustandsbasierte Wartung und macht Vorhersagen bezüglich der verbleibenden nutzbaren Lebensdauer der Komponente schwierig oder ungenau. Intelligente Sensoren, die den Zustand kritischer Maschinenkomponenten präzise überwachen, stellen daher eine entscheidende „enabling“ Technologie für zukünftige verfügbarkeitsorientierte PPS dar.

Als Zustandssensor bei der Überwachung von Maschinen und Anlagen liefern Sensoren von Sensitec klar interpretierbare Informationen über den Status sich bewegender, mechanischer Bauelemente oder der elektromagnetischen Kennung von Motoren und anderen Anlage-Elementen. Im besten Fall übernimmt die Sensorik eine Doppelfunktion und liefert neben den Standardinformationen zusätzlich noch Hinweise über den Zustand der Maschine.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Erfassung von Informationen über den Zustand von Maschinen bzw. Maschinenelementen - wie Wälz- oder Gleitlager, Zahnräder, Führungen etc. Ein klassischer Ansatz benutzt Schwingungen und ein verwandtes Verfahren erfasst Akustik. Es werden auch oft Temperatur oder Verschleiß in Form von Abrieb erfasst. An Bedeutung gewinnen zunehmend die Erfassung von „Instantaneous Angular Speed“ (momentane Winkelgeschwindigkeit) als auch „Motor Current Signature Analysis“ (Motorstrom-Signatur-Analyse). Die eingesetzte Sensorik muss nicht nur klein, präzise und robust sein, sondern auch über eine hohe Bandbreite und niedrigen Leistungsbedarf verfügen. Bevorzugt sollen vorhandene Sensoren bzw. Messstellen für diese zusätzliche Funktionalität genutzt werden, um zusätzliche Sensoren zu vermeiden. MR-Sensoren erfüllen diese komplexen Anforderungen in besonderem Maß. Die Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit ist für die Zustandsüberwachung von großer Bedeutung. Die Drehung einer Maschinenwelle ist ein Ergebnis des Gesamtbetriebs der Maschine und trägt damit Informationen über alle mechanischen und elektromagnetischen Prozesse, die zur Drehung beitragen. Jeder Schaden oder Defekt hat theoretisch eine Auswirkung auf die Momentandrehzahl. Die Messung wird typischerweise mit einem inkrementalen Drehgeber in Kombination mit einer Zählerkarte durchgeführt, um die Zeit zu messen, die zwischen der steigenden Flanke des Gebersignals verstrichen ist. Die Winkelinformation wird direkt erfasst. Encoder, die auf dem MR-Effekt basieren, weisen eine hohe Auflösung, eine hohe Winkelgenauigkeit und eine hohe Bandbreite für schnell rotierende Wellen auf. Dieses Verfahren bewährt sich erfolgreich bei der Identifizierung von Getriebe- und Lagerfehlern sowie von Defekten an Elektromotoren.

Fehlerdiagnosetechniken mit MR-Sensoren

Bei der Überwachung von Komponenten oder Ausfallmechanismen in elektromechanischen Antriebssträngen werden zahlreiche verschiedene Parameter gemessen, z.B. Schwingung, Kraft, Rotations- und/oder Lineargeschwindigkeit, Lärm, Temperatur, Auslenkung, elektrischer Strom und Verschleißteile. Die Messung von Schwingung oder Temperatur sind bei weitem die bekanntesten und etabliertesten Messgrößen für konventionelle Zustandsüberwachungssysteme. Es gibt jedoch einige wesentliche Einschränkungen. In beiden Fällen kann der Übertragungsweg zwischen der Erregung und den Sensoren zu einer Zeitverzögerung (insbesondere bei der Temperatur) und zu einer Fehlinterpretation des Ausfallmechanismus oder zu einer Fehlidentifikation der versagenden Komponente (bei Schwingungen, insbesondere unter nicht stationären Bedingungen) führen. Darüber hinaus benötigen beide Messgrößen zusätzliche Sensoren und können invasive Messungen erfordern. Die Sensoren können die Systemdynamik durch Modifikation der Gesamtsystemsteifigkeit oder durch die Hinzufügung von Massenträgheit verändern. Nicht zuletzt wünschen sich die meisten Anwender eine längere Zeitspanne zwischen der Identifizierung eines Fehlers und einem eventuellen Maschinenausfall. Diese Forderung führt zu einer verstärkten Forschung nach neuartigen Techniken, die eine bessere und frühere Fehlererkennung als die Schwingungs-, Fett- und Temperaturüberwachung bieten. Die miniaturisierten Abmessungen, die Robustheit, die hohe Empfindlichkeit und die große Bandbreite der magnetoresistiven (MR-) Sensoren eröffnen die Möglichkeit, mechanische Verschiebung, Geschwindigkeit und elektrischen Strom in der Nähe des "Schmerzpunktes" zu messen, d.h. in unmittelbarer Nähe zu servicerelevanten Komponenten und damit in der Nähe des Ortes, an dem Verschleißerscheinungen am einfachsten zu überwachen und am frühesten zu beobachten sind.

Magnetische Mikrosysteme in Form von MR-Sensoren sind in Automobilen, Mobiltelefonen, medizinischen Geräten, Windkraftanlagen, Werkzeugmaschinen oder Industrierobotern fest etabliert: sei es zur Messung von Weg, Winkel oder elektrischem Strom oder als elektronischer Kompass. Ursprünglich für Anwendungen zur Datenspeicherung entwickelt, eröffnen die verschiedenen MR-Effekte den Sensoren neue Messmöglichkeiten, nicht nur in terrestrischen Anwendungen, sondern auch im Weltraum. MR-Sensoren sind robust, zuverlässig, präzise und miniaturisiert. Diese Kombination von Eigenschaften führt zu einem kontinuierlichen Wachstum des Anwendungsbereichs von MR-Sensoren. Der extrem niedrige Stromverbrauch von MR-Sensoren ist ideal für drahtlose, autonome Sensoranwendungen.

Ein besonders wichtiges Merkmal für Condition Monitoring-Anwendungen ist die Möglichkeit, vorhandene ferromagnetische Maschinenelemente, zum Beispiel ein Zahnrad oder einen Lagerring, als Ziel für den Sensor zu verwenden.

Dies ermöglicht die Konstruktion extrem kleiner Sensoren, die in kleinem Bauraum für in-situ-Messungen mit mechanischen Maschinenkomponenten integriert werden können, ohne dass ein zusätzlicher Messmaßstab erforderlich ist. Dies ist sehr nützlich für die Überwachung typischer Lager- oder Getriebefehler unter Verwendung einer Reihe verschiedener Ansätze..

Ein typischer miniaturisierter Sensor besteht aus einem GMR (Giant Magnetoresistive) Zahn-Sensorchip, der direkt auf einem Samarium-Kobalt-Seltene-Erden-Stützmagneten montiert ist. Der magnetische Fluss wird durch eine ferromagnetische Zahnstruktur verzerrt, typischerweise ein Zahnrad oder ein Teil einer anderen vorhandenen Maschinen-komponente. Diese Verzerrung wird durch den GMR-Sensorchip gemessen und in ein Sinus- und Kosinus-Ausgangssignal pro Zahn umgewandelt. Dieses Signal wird typischerweise interpoliert und liefert bis zu 100 digitale Impulse pro Zahnrad und damit eine extrem hohe Auflösung. Das GMR-Schichtsystem wurde für den Einsatz von Vormagnetisierungsmagneten mit sehr hohen Feldstärken (bis zu 300 mT) optimiert, was das Modul weitgehend unempfindlich gegenüber homogenen Störfeldern macht und ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis garantiert.

Direkte Lager- und Verzahnungsmessung

Der jüngste Ansatz, bei dem MR-Sensoren eingesetzt werden, ist die direkte Messung der Verschiebung oder des Verschleißes in Lagern und Getrieben. In zwei von der AiF geförderten Projekten hat Sensitec mit Partnern die Anwendung von MR-Sensoren zur Zustandsüberwachung von aerostatischen Lagern in Hochfrequenz-Luftspindeln untersucht. Positionssensoren, die auf dem GMR-Effekt basieren, wurden speziell angepasst, um die radiale und axiale Verschiebung der Spindelwelle direkt zu messen.

Wichtig ist, dass nur geringfügige Modifikationen an der Spindelwelle vorgenommen wurden, um diese Messung zu ermöglichen, und dass die Sensoren vollständig in das Gehäuse integriert wurden. Für die Messung der radialen Verlagerung sind drei Sensoren im gleichen Abstand am Umfang angeordnet, so dass die Ortskurve der Welle berechnet werden kann. Für die axiale Messung wird ein einziger Sensor verwendet.

Abbildung 3 zeigt die minimalen Modifikationen, die an der Welle vorgenommen wurden, um sowohl axiale als auch radiale Verschiebungen durch kleine Rillen am Umfang oder an der Schulter der Welle zu überwachen. Tests zeigen, dass diese Lösung axiale und radiale Verschiebungen von weniger als 0,5 µm mit hoher Wiederholbarkeit unter typischen Betriebsbedingungen auflösen kann und damit die Diagnose zahlreicher möglicher Lagerdefekte in Echtzeit ermöglicht.

Tiefe Integration in die Maschine

Magnetoresistive Sensoren zeichnen sich u.a. aus durch eine hohe Empfindlichkeit und miniaturisierte Abmessungen. Diese Eigenschaften ermöglichen eine tiefe Integration in die Maschine, d.h. die Sensoren befinden in unmittelbarer Nähe zu servicerelevanten Komponenten, wo sich Verschleiß bemerkbar machen kann. Dies ermöglicht oft schon frühzeitig präzise und intelligente Ausagen über den Zustand der Maschine. 

 

Autor: Ellen Slatter ist zuständig für PR und Öffentlichkeitsarbeit bei der Sensitec GmbH in Wetzlar