Spaltmessung: Walzenspalt, Luftspalt, Ölspalt & Schmierspalt

Zur kontinuierlichen, gleichmäßigen Materialbearbeitung, im Breich der Dichtungtechnik, muss der Spalt zwischen den Walzen mit der hydraulischen Zustelleinrichtung eingestellt und konstant gehalten werden. Aus diesem Grund sind die Ober- und Unterwalze links sowie rechts mit einem Absatz und einem Aluminiumring als Messobjekt versehen. Durch den Aluminiumring lassen sich Fehler durch das Walzenmaterial vermeiden. Zwei gegenseitig montierte Wirbelstromsensoren messen von einem festen Bezugspunkt aus den Abstand zum Aluminiumring. Aus der Addition der beiden Abstände kann so der Walzenspalt ermittelt werden.

Verbrennungsmotore müssen höchsten Beanspruchungen bei langer Lebensdauer überstehen. Um diesen Anspruch gerecht zu werden, werden Wirbelstromsensoren der Serie eddyNCDT für viele unterschiedliche Messungen im Motor verbaut. Als weltweit kleinste Wirbelstromsensoren können die Sensoren im befeuerten Zustand angewendet werden. Beispiele für bereits realisierte Messungen sind: Ventilhub, Düsennadelhub, Atmen des Zylinderkopfes, Schmierspalt am Zylinder, Ölfilmdicke, Kurbelwelle Konzentrizität, Kurbelwelle Axialbewegung oder Kolben Sekundärbewegung.

Zur Einstellung des genauen Zündzeitpunktes in der Motorentwicklung wird der obere Totpunkt der Zylinderbewegung erfasst. Dabei wird ein Miniatur-Wirbelstromsensor in den Zylinderkopfdeckel integriert. Aus dieser Position misst er hochpräzise wann der Kolben den geringsten Abstand zum Sensor hat. Genau in diesem Zeitpunkt ist die Zündung optimal. Eine Zündung früher oder später würde den Wirkungsrad des Motors senken. Diese Messung ist ausschließlich im Schleppbetrieb möglich.

Zur konstruktiven Verbesserung von Verbrennungsmotoren und auch zur Schadensanalyse ist es notwendig, die thermischen und mechanischen Belastungen im Motor zu messen. Zwei wichtige Größen sind dabei die Querbewegung des Kolbens (Sekundärbewegung) und die Lage und Verformung der Kolbenringe während der einzelnen Arbeitstakte. Um eine hohe Aussagekraft der Messergebnisse sicher zu stellen, müssen die Messungen unter Betriebsbedingungen gewonnen werden. Dazu läuft der Motor am Prüfstand entweder im Normalbetrieb (befeuerterKolben) oder im Schleppbetrieb.

Für die Lebensdauer von Motoren ist unter anderem die Querbewegung des Kolbens im Zylinder entscheidend. Dafür werden Miniatur-Wirbelstromsensoren in den Kolben integriert, die auf die Zylinderwand messen. Ist der Abstand zu groß oder zu klein, hat der Kolben zuviel Spiel oder eine kontinuierliche Schmierung kann nicht sichergestellt werden. Die Sensorkabel werden entlang des Pleuels über eine Schwinge im Getriebe aus dem Motor heraus geführt.

Krabben werden in einer Sortieranlage nach Größe sortiert. Dabei werden die Krabben durch einen Rüttler auf eine Walze befördert, die ein Spaltmaß zwischen 20 mm und 40 mm aufweist. Zur Kontrolle des Spaltmaßes wird ein induSENSOR Serie LVP verwendet, der das sich ändernde Spaltmaß erfasst und auf einer Digitalanzeige visualisiert. Der Sensor ist in Edelstahl für die Lebensmittelindustrie ausgeführt.

Kreiselbrecher, für Steinbrüche oder Erzminen können bis zu 3500 t Material in einer Stunde auf die gewünschte Korngröße mahlen. Hierzu bringt eine exzentrische Lagerbuchse die Brechachse in eine kreiselnd-pendelnde Bewegung. Dadurch ändert sich ständig der Spalt zwischen Brecherbacken und Brechkegel. Der eingestellte Spalt wandert zum Mahlen kontinuierlichamInnenumfang des Brechraumes entlang. Mit Hilfe eines Langwegaufnehmers im Hydraulikzylinder kann der Brechspalt durch Heben und Senken der Achse exakt eingestellt werden.

Bisher wurden Lagerspalte nur taktil während eines Stillstandes gemessen, daher wurden meist lange Prüfintervalle gewählt, die jedoch das Risiko eines Ausfalles der Anlage erhöhen. Die gezielten Stillstände zu Mess- und Prüfzwecken verursachen außerdem erhebliche Mehrkosten. Micro-Epsilon erfasst Messwerte im laufenden Betrieb der Anlage und ermöglicht dadurch eine zuverlässige und wirtschaftliche Echtzeit-Analyse.

Eingesetzt wird das induktive Messsystem auf Wirbelstrombasis eddy-NCDT 3005. Es besteht aus einem Sensor mit bis zu 6 mm Messbereich, der über ein 1 m langes Kabel fest mit der Elektronik verbunden ist. Die front- und rückseitige Öldichtigkeit prädestiniert den Sensor für dieses Einsatzgebiet, selbst bei einem typischen Öldruck im Lager von 1 - 2 bar. Das System trägt bereits zur Analyse und Optimierung der Wartungsintervalle von Windkraftanlagen bei. Zudem können die im Teststand gewonnenen Daten während der Konstruktionsphase berücksichtigt und für die Dimensionierung neuer Bauteile verwendet werden. Möglich sind sowohl der Einsatz am Prüfstand aber auch die Serienintegration in Form des Condition Monitoring. Der Serieneinsatz ist von Vorteil, da bereits bei der Montage und Inbetriebnahme der Anlage die korrekte Ausrichtung und präzise Justage erfolgen können.

Bei sehr großen Elektromotoren (Durchmesser größer 10 m) ist es aus Gründen der Effektivität und Wirtschaftlichkeit sehr wichtig, den Rundlauf des Läufers im Inneren des Motors gegenüber dem Stators zu kennen. Diese Elektromotoren kommen in Gesteinsmühlen zur Zementherstellung oder beim Abbau von Erzen in Bergwerken zum Einsatz. Durch Unwucht im Betrieb kann der Läufer den Stator berühren und es kann zu sehr großen Schäden kommen. Aus diesem Grund wird während des Betriebes mit Sensoren der Abstand zwischen Stator und Läufer, der sogenannte Läuferspalt überwacht. Zum Einsatz kommen hier kapazitive Sensoren mit einem Messbereich von ca. 30 mm.

Die Zierleisten in hochwertigen Kraftfahrzeugen bestehen oft nicht aus einem einzigen Material (z.B. Kunststoff), sondern werden aus unterschiedlichen Materialien verklebt. Dies bietet nicht nur vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten, sondern auch zusätzliche Funktionen z.B. Beleuchtung durch semitransparente Teile. Beim Verkleben oder Verschweißen dieser Elemente ist ein präzises Handling erforderlich, da bereits eine geringe Verschiebung der Elemente zueinander große Abweichungen in den dazwischenliegenden Spaltmaßen verursacht. Um den hohen Anforderungen der Automobilhersteller gerecht zu werden, ist es erforderlich, alle Zierleisten vor Auslieferung zu prüfen und Fehlteile nachzuarbeiten. Für diesen Zweck wird der Laser-Scanner scanCONTROL 2910-25 verwendet.

Um das Verhalten von Turboladern in verschiedenen Belastungszuständen zu untersuchen, werden Wirbelstrom-Wegsensoren an Turboladerprüfständen eingesetzt. Die Miniaturbauform der Sensoren und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Öl und hohen Temperaturen erlauben die präzise messtechnische Erfassung des Schmierspalts an hydrodynamisch gelagerten Rotorwellen.

Zur Lagerung von Kurbelwellen im Motor werden Gleitlager eingesetzt. Damit die Lagerung möglichst Verschleißfrei abläuft, ist ein bestimmter Mindestabstand erforderlich. Dazu werden Miniatur-Wirbelstromsensoren in das Lager integriert. Dort wird die Distanz durch die Lagerhalbschale auf die Kurbelwelle gemessen. So kann festgestellt werden, ob genügend Öl die Welle im Lager schmiert. Sollte der Ölfilm reißen, muss die Distanz zur Welle nahe Null sein. Denn durch die Viskosität des Öls ist ein bestimmter Mindestabstand von Lager zur Welle erforderlich.

Der Schmierspalt eines Gleitlagers wird von mehreren Faktoren beeinflusst wie Temperatur, Drehzahl, Drehwinkel, Belastung u.a. Diesen Einfluss messtechnisch zu ermitteln ist nur unter betriebsnahen Bedingungen möglich.

Daher werden hohe Anforderungen, wie Temperaturbeständigkeit, Druckfestigkeit, Ölbeständigkeit oder kleine Sensorbauformen, an ein Messsystem gestellt, das die Größe des Spalts bzw die Zapfenverlagerung erfasst.

eddyNCDT-Systeme mit Miniatursensoren U 05 und S 05 wurden erfolgreich eingesetzt zu Verlagerungsmessungen im Kurbelwellenlager von Verbrennungsmotoren. Diese Miniatursensoren lassen sich aufgrund ihrer Bauform selbst in Lager mit kleinen Abmessungen einbauen und liefern zuverlässige, genaue Messergebnisse und hohe Auflösung der Werte.

Bisher waren Spaltmessungen im Inneren der Pumpen wegen der extremen Anforderungen nicht möglich. Die Sensoren müssen sich resistent gegen hohe Drehzahlen, hohe Drücke bis zu 1000 bar und Temperaturen über 100 °C zeigen. Des Weiteren sind die Pumpen äußerst kompakt gebaut, was den verfügbaren Platz zur Integration von Sensorik deutlich einschränkt. Dank kleinster Sensorbauformen und ihrer hohen Druck und Temperaturstabilität sind die induktiven Miniatursensoren der Reihe eddyNCDT prädestiniert für diese Applikation. Im Teststand zur Evaluierung der Pumpen wird daher das Wirbelstrom-Messsystem eddyNCDT 3300, das zu den leistungsfähigsten Systemen weltweit zählt, eingesetzt. Dadurch lassen sich mikrometergenaue Messungen der Spalte realisieren, woraus letztlich Analysen erstellt werden, um die Effizienz von Axialkolbenpumpen zu optimieren.

In der Medizin werden für bestimmte Tests Glassubstrate benötigt. Bei der Herstellung der Chips wird das Substrat definiert mit einer Tiefe von 800 µm angefräst. In einer Brecherstation wird zur Vereinzelung das Substrat an den Sollbruchstellen gebrochen. Dafür muss die Scheibe exakt positioniert werden. Die Spaltmessung übernimmt ein Lasersensor optoNCDT 1700.

Eine Welle von ca. 40 kg wird magnetisch gelagert. Ein ferromagnetischer Wellenzapfen schwebt in einem Magnetfeld, das von außenliegenden Erregerspulen erzeugt wird. Zur Spaltregelung messen pro Seite zwei Sensoren in radialer Richtung (90° versetzte Anordnung) und ein Sensor axial gegen die Welle. Kontaktlose und verschleißfreie Magnetlager werden eingesetzt in Reinstatmosphäre und bei extremen Umweltbedingungen.

Beim Auslösen eines Schaltvorganges in einer Prüfvorrichtung für Nockenwellen wird ein Schaltpin mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Durch eine Spaltmessung wird überprüft, ob der Schaltpin vollständig ausgefahren wurde und ob dieser mit der erforderlichen Geschwindigkeit ausgelöst hat. Durch Auswerten des Weg-Zeitsignals konnten alle Parameter zuverlässig erfasst werden. Die Messung wird mit einem optischen Mikrometer optoCONTROL 1200/90 durchgeführt.

In Tribologieprüfständen des ITR Clausthal werden Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon für verschiedene Messaufgaben eingesetzt. Dort überstehen sie härteste Umgebungsbedinungen, da sie im Prüfstand direkt auf die Welle messen. Bereits realisiert wurde ein Prüfstand mit Wasserschmierung und ein Prüfstand, der Gleitlager für die Automobilindustrie untersucht. Im Prüfstand wird die Position des Prüflagergehäuses so wie die Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Prüflager durch Wirbelstromsensoren detektiert.

Hydrostatische Lager werden an vielen Großanlagen wie Steinmühlen, Teleskopanlagen usw. verwendet. Die Überwachung des Spaltmaßes ist sehr wichtig, da bei Störungen in der Hydraulik der Öldruck sinken kann und dies im Extremfall den Spalt schließt und somit das Lager beschädigt, was zu einem Ausfall der Anlage führen kann. Dabei ist es wichtig, ein einfach zu installierendes System zu haben, da auch ältere Anlagen nachgerüstet werden müssen. Aufgrund der langen Lebensdauer und dem weltweitem Einsatz der Anlagen soll zudem ein einfacher Austausch des Sensors möglich sein. Für diesen Zweck werden berührungslose Wirbelstrom-Wegsensoren der Serie eddyNCDT 3001 eingesetzt.

Zu den Zielen in der heutigen Motorenentwicklung zählen Schadstoffminimierung und Ölverbrauchssenkung. Um geeignete Maßnahmen zur Erreichung dieser Ziele zu ergreifen, ist unter anderen die Kenntnis des Verhaltens und der Dicke des Ölfilmes zwischen Zylinderwand und Kolben bzw. Kolbenringen von hoher Bedeutung. Besonders interessant ist hierbei das obere Drittel der Zylinderbohrung.

Bei der Herstellung von Gläsern werden Stiel und Kelch durch einen Gasbrenner miteinander verbunden. Um das exakte Verbinden des Glasstiels mit dem Glaskelch zu ermöglichen, muss der Abstand zwischen Stiel und Kelch erfasst werden. Durch dieses Spaltmaß kann in der Produktion der Vorschub gesteuert werden. Die Erfassung des Spalts erfolgt mit einem optischen Mikrometer optoCONTROL.

Bei Walzvorgängen von Metallen, Kunststoffen oder anderen Materialien ist der Abstand der beiden Walzen zueinander bzw. der Walze zur Auflagefläche das entscheidende Maß. Bei empfindlichen Prozessen und hohen Materialgenauigkeiten gilt es den Spalt ständig zu kontrollieren, damit drohender Ausschuss vermieden wird. Dazu eignet sich das berührende induktive bzw. das berührungslose Verfahren. Beim berührenden Verfahren wird der Sensor außen an die Rollenführung montiert. Die Spaltänderung wird auf einen Stößel übertragen, dessen Positionsänderung durch den induktiven Sensor erfasst wird. Beim berührungslosen Verfahren befindet sich die Walze zwischen Sender und Empfänger eines optischen Mikrometers. Der ausgesendete Lichtvorhang wird teilweise durch die Walze verdeckt. Der Rest gelangt durch den Spalt zum Empfänger. Aufgrund der Lichtmengenmessung kann der Spalt berechnet werden.

Die Überwachung der Werkzeugatmung mit induktiven Sensoren auf Wirbelstrombasis realisiert hohe Produktqualität bei gleichzeitig längerer Nutzungsdauer der Werkzeuge und minimiertem Zeitaufwand für Nacharbeiten. Üblicherweise werden drei bis vier Wirbelstromsysteme der Reihe eddyNCDT 3005 eingesetzt um die gleichmäßige Spaltüberwachung sicherzustellen.

Ein System besteht aus einem kompakten und robusten Controller, der zusammen mit Kabel und Sensor eine feste Einheit bildet. Der integrierte Systemaufbau steigert die Robustheit und die Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflussfaktoren, dadurch ist das System gegenüber rauen Industrieumgebungen mit hohen Temperaturen, Staub, Schmutz oder Druck unempfindlich und liefert umgebungsunabhängig präzise Ergebnisse. Dank der Kompaktheit des eddyNCDT 3005 ist eine nachträgliche Maschinenintegration jederzeit möglich.

Überall wo Scheiben automatisiert Positioniert werden, spielt auch die spätere Optik des Objekts eine maßgebende Rolle. Abgesehen von Form, Stabilität, Farbe usw. ist das spätere Erscheinen von der Position des Glases im Rahmen abhängig. Die Scheibe muss in möglichst zentrierter Position eingesetzt werden. Dazu erkennt ein Laserscanner automatisch beim Einsetzen der Scheibe, ob der Spalt an allen Seiten gleich ist oder nicht. Sollten Abweichungen auftreten kann die Scheibe noch etwas versetzt werden. Die äußerst schwierigen Bedingungen der unterschiedlichen Reflexionsgrade von Glas und Rahmen (Metall, Holz, Kunststoff) beeinflussen die Qualität der Messdaten nicht.

Speziell geformte Wirbelstromsensoren werden direkt in das Motorgehäuse integriert, dort messen sie beispielsweise die Ausdehnung der Zylinderkopfdichtung während des Arbeitstaktes. Bei jeder Zündung eines Zylinders entstehen Drücke bis zu 50 bar, die einen fest verschraubten Zylinderkopf minimal anheben. Diese Bewegung wird von der Zylinderkopfdichtung kompensiert, weshalb man auch vom „Atmen der Zylinderkopfdichtung“ spricht. Wie weit sich der Zylinderkopf bewegt, wird von den Wirbelstromsensoren erfasst. Diese Daten geben Aufschluss über die Haltbarkeit der Dichtung und bewahren Kunden vor fatalen Motorschäden.