(Dreh-)Momente unter erschwerten Bedingungen

SAW-Sensoren im Einsatz

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29. Oktober 2019
Eine genaue Messung des Drehmoments ist Voraussetzung für die Entwicklung und Produktion einer Vielzahl von Produkten. Hierzu gehören beispielsweise Unterwasserturbinen für Gezeitenkraftwerke, Motoren für den Einsatz in Elektrofahrzeugen oder Thermostatventile.

Der Einsatz herkömmlicher Verfahren wie Moiré- oder Laser-Techniken sowie kapazitive, induktive, piezoelektrische oder resistive Messverfahren, ist häufig teuer oder nicht ideal für die Anwendung. Auch resistive Dehnungsmessstreifen (DMS) bieten keine ideale Lösung – hier erschweren die geringen Widerstandsänderungen genaue Messungen und das Messystem wird anfällig für Fehler durch Rauschen.

Als moderne Alternative können Surface-Acoustic-Wave-Sensoren (SAW-Sensoren oder Oberflächenwellensensoren) eingesetzt werden. Sie verfügen über eine hohe Steifigkeit, geringe Trägheit und eine hohe Drehgeschwindigkeit der Welle. Weitere Vorteile sind die sehr hohe Messgenauigkeit und -auflösung, eine hervorragenden Störfestigkeit und eine außergewöhnlichen Überlastfähigkeit. Da SAW-Sensoren mit Funkfrequenzen arbeiten, können die entstehenden Signale über eine Funksignalkopplung übertragen und der Sensor somit per Funk abgefragt werden. Überall dort, wo die zu messenden Stellen nur schwer zugänglich sind oder eine Verkabelung unmöglich ist, kann sich die Anwendung solcher SAW-Sensoren also durchaus lohnen.

Darüber hinaus kann jeder Sensor eindeutig identifiziert werden, d.h. Messwerte können räumlich und zeitlich genau zugeordnet werden, um z.B. Materialflüsse zu verfolgen. Auch eine Funk-Identifikationsmarke (RFID) kann eingeprägt werden. Messergebnisse können sogar in Echtzeit übertragen werden - die Auswirkungen von Änderungen am Prüfobjekt sind dann sofort sichtbar.

Aufbau und Funktionsprinzip

SAW-Sensoren bestehen im Wesentlichen aus zwei dünnschichtigen, fingerförmig ineinandergreifende Metallelektroden auf einem piezoelektrischen Substrat, wie beispielsweise Quarz. Wird an diesen Messumformer ein Funkfrequenzsignal in der richtigen Frequenz angelegt, entstehen Oberflächenwellen, wodurch sich der Messumformer als Schwingkreis verhält.

Entscheidend dabei ist jedoch, dass sich die Resonanzfrequenz bei Verformung des Substrats ändert. Beim Betreiben des Messumformers an einer Antriebswelle entsteht eine Verformung des Substrats und damit die Änderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des auf die Welle aufgebrachten Drehmoments. Aus dem Messumformer wird dadurch im Prinzip ein frequenzabhängiger Dehnungsmessstreifen.

Drehmomentsensoren mit integrierter SAW-Messumformer-Technologie eignen sich besonders für den Einsatz an sich drehenden Wellen und anderen beweglichen Bauteilen. Sie kommen ohne die häufig unzuverlässigen Bürsten und Schleifringe aus, mit denen herkömmliche Drehmomentmesssysteme ausgestattet sind.

SAW-Sensoren überstehen Temperaturen von -55°C bis +400°C, korrosive Umgebungen, mechanischen Stress und hohe Gammastrahlungen von über 500 kGy (Kilogray) ohne Leistungsverlust. Ihr Messbereich liegt zwischen 0,01 Nm und 10kNm. SAW-Drehmomentaufnehmer ermöglichen zudem Messungen bis 30.000 Umdrehungen je Minute. 

Überlebenskünstler in der Praxis

Im klassischen Maschinenbau werden Motoren, Rotoren, Kupplungen, Kugellager oder Wellen per SAW-Sensorik in unterschiedlichen Betriebszuständen kabellos auf Zustand oder Position überwacht. Sie messen die Temperatur beweglicher Teile wie Turbinenblätter, Rotorblätter von Windkraftanlagen, Luftdruck von Autoreifen und vieles mehr.

Die Althen Mess- und Sensortechnik GmbH beschäftigt sich seit mehr als 40 Jahren mit Mess- und Sensortechnik und ist spezialisiert auf das elektrische Messen mechanischer Größen. Die SAW-Drehmomentsensoren von Sensor Technology Ltd. sind Teil des Produktprogramms von Althen und Hauptbestandteil komplexer Messlösungen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Bahnindustrie, der Medizintechnik und wissenschaftlichen Forschung.

Auf dem Prüfstand: Hochsicherheit in Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtbranche ist für ihre hohen Sicherheitsstandards bekannt.  Flugzeuge sind beim Landen und Starten - vom Aufsetzen des Fahrwerks bis zum Umkehrschub der Triebwerke - enormen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen können in schwierigen oder Notsituationen exponentiell ansteigen. Eine regelmäßige Prüfung und Zertifizierung aller relevanten Teile ist daher unerlässlich.

So betreibt Manchester Automated Technologies Ltd., ein Design- und Engineering-Unternehmen, das Produktdesigns und Prototypen für unterschiedlichste Industrien herstellt, einen Prüfstand für Dynamometer in der Luft- und Raumfahrt. Komponenten werden 3.000 Stunden und länger ununterbrochen getestet. Zu den Schlüsselkomponenten zählen der TorqSense-Wandler von Sensor Technology.

Die Grundkonstruktion besteht darin, dass ein Motor den Prüfling in einem geschlossenen Regelkreis gegen eine Last treibt und der TorqSense eine Rückmeldung gibt, indem er seine Leistung in Bezug auf Drehmoment und Drehzahl misst. Schwankungen der Leistungsdaten im Zeitverlauf geben Aufschluss über den Verschleiß des Bauteils. Daraus können Profile für eine sichere Lebensdauer entwickelt werden. Die Daten werden in einer Datenbank protokolliert, um die Zuordnung von Trends zu ermöglichen. Auch eine webbasierte Echtzeitanzeige ermöglicht die Anzeige und Überprüfung von Live-Parametern aus der Ferne.

Effizienzsteigerung in der Entwicklung von Elektrofahrzeugen

Die Firma Sevcon in Großbritannien entwickelt und produziert Motorsteuerungen und Systemkomponenten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Dazu gehören klassischerweise Gabelstapler, Flugzeugschlepper, Golfbuggys oder Motorroller, seit einigen Jahren aber auch verstärkt hochgradig beanspruchte Busse und Lastkraftwagen. Höchste Qualität und Effizienz wird dabei sichergestellt, indem TorqSense Sensoren in den Prüfständen für Steuerungen eingesetzt werden.

In Tests wird eine Steuerung mit einem Motor gekoppelt und über einen längeren Zeitraum bis zu 26 Wochen betrieben, um den gesamten Geschwindigkeits- und Leistungsbereich im Zeitverlauf zu überprüfen. Der drahtlose Sensor misst die Verformung von Bauteilen, damit das Drehmoment berechnet werden und über Funkwellen zur sofortigen Analyse direkt in ein Computerprogramm übermittelt wird. Da diese Systeme an allen Unternehmensstandorten in vier Kontinenten vereinheitlicht sind, können lokale Tests und Ergebnisse vollständig unternehmensweit geteilt und angewendet werden.

Für Drehmomente im Motorsport

Die Formula Student (FS) zielt darauf ab, unternehmerische und innovative junge Ingenieure hervorzubringen. Studenten und Absolventen entwickeln in der FS komplexe Hochleistungs-Elektroautos im anspruchsvollen Umfeld des Motorsports. Das Formula Student-Team des Instituto Superior Técnico Lissabon verfügt dabei über eine ‚Geheimwaffe‘ in Form eines Prüfstands, der auf einem drahtlosen Drehmomentsensor basiert. Damit gelang es 2017 den ersten vollständig in Portugal entwickelten Prototyp eines Elektroautos mit Allradantrieb zu entwickeln.

Die TorqSense-Sensoren mit SAW-Technologie sind dabei ein wichtiger Bestandteil des Prüfstandes für die Motorenentwicklung. In rigorosen Tests werden riesige Mengen an Leistungsdaten aufgezeichnet, analysiert und für Leistungsvorhersagen und optimiertes Design angewendet. Dabei werden Tests mit einer Drehzahl von bis zu 20.000 U/min und einem maximalen Drehmoment von 30 Nm durchgeführt. Da die Einrichtung für die vielen Testläufe keine Verkabelung oder Schleifringe erfordert, können diese Testzyklen ohne große Umbauten zeit- und kostensparend durchgeführt werden.

Wie geschmiert: Optimal eingestellte Ersatzgelenke in der Medizin

Die flexiblen Drehmomentsensoren unterstützen Wissenschaftler auch in der medizinischen Forschung. So werden sie an der Queen Margaret University in Edinburgh eingesetzt, um umfangreiches Datenmaterial für künstliche Gelenke zu erheben. Ziel ist es, postoperativ die Leistung und Funktion des Gelenkes optimal auf den jeweiligen Patienten individuell abzustimmen. Auch hier werden die Sensoren mit SAW-Technologie erfolgreich eingesetzt.

Statt in einem fest verbauten Prüfstand wird hier die mobile Messapparatur direkt am Knie des Patienten fixiert, um durch Gelenkbewegungen Rückschlüsse für akute Dynamik und zukünftige Leistungsfähigkeit des künstlichen Implantats ziehen zu können. Durch Nutzung zweier piezokeramischer Kämme um das Knie muss der Messkopf nicht auf dem Gelenk aufsetzen, was Rückdrehmomente und damit Ergebnisverfälschungen zur Folge hätte. Die gewonnenen Daten werden dann mit vorhanden Testergebnissen korreliert.

Allrounder unter besonderen Bedingungen

SAW-Sensoren sind echte Allrounder unter den Drehmomentsensoren, und in vielen Einsatzgebieten ihre Zukunft. Diesen sind kaum Grenzen gesetzt. SAW-Sensoren haben sich in der Herstellung von Betonbauteilen, in Bohrgestängen bei der Erdölförderung, in High Tech-Bereichen und der Wissenschaft ebenso wie in Forschung und Medizin und im klassischen Maschinenbau etabliert. Aber auch im Alltag begegnen wir Ihnen unentwegt: Mobilfunkgeräte und Tablets, Fleischthermometern im Backofen oder Abstandsmesser im Haushalt kommen ohne sie nicht aus. Ein vielseitiger Überlebenskünstler, auch unter erschwerten Bedingungen.