Sensoren für technologische Parameter – Kraft, Druck, Drehmoment
Für die Umsetzung einer automatisierten und hochpräzisen Steuerung technologischer Prozesse ist es stets erforderlich, Informationen über die aktuellen Werte der wichtigsten technologischen Parameter zur Verfügung zu haben. Normalerweise werden zu diesem Zweck verschiedene Sensoren verwendet: Kräfte, Druck, Drehmoment usw. Schauen wir uns drei Arten von Sensoren an und verstehen wir das Funktionsprinzip.
Zunächst ist festzuhalten, dass bei der Konstruktion von Kraft- oder Drehmomentsensoren empfindliche Elemente zum Einsatz kommen, deren bestimmte Eigenschaften sich je nach dem aktuellen Verformungsgrad aufgrund des einen oder anderen äußeren Einflusses ändern.
Dies können elastische Metallplatten, Federn oder Wellen sein, deren Verformung auf ein magnetostriktives, piezoelektrisches oder Halbleiterelement übertragen wird, dessen elektrische oder magnetische Parameter direkt vom Grad der Verformung abhängen. Es reicht aus, diesen Parameter zu messen, um eine Vorstellung von der Größe der Verformung und dementsprechend von der Kraft (Druck, Drehmoment) zu bekommen.
Tensometrische Dehnungsmessstreifen
Der einfachste Dehnungsmessstreifen basierend auf Dehnungsmessstreifen-Drahtkonverter besteht aus einem mechanisch elastischen Element, das einer Verformung ausgesetzt ist, und einem daran befestigten Dehnungsmessstreifen, dessen Verformung direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Als Dehnungsmessstreifensensor dient ein dünner (mit einem Durchmesser von 15 bis 60 Mikrometern) Nichrom-, Konstantan- oder Ellinvar-Draht, der in einer Schlange gefaltet und auf einer Folienunterlage befestigt ist. Ein solcher Wandler wird auf die Oberfläche geklebt, deren Verformung gemessen werden soll.
Die Verformung des mechanisch elastischen Elements führt zu einer Dehnung oder Stauchung des Drahtes über seine Länge, während sein Querschnitt abnimmt oder zunimmt, was sich auf die Änderung des Widerstands des Wandlers gegenüber elektrischem Strom auswirkt.
Durch die Messung dieses Widerstands (Spannungsabfall darüber) erhalten wir eine Vorstellung von der Größe der mechanischen Verformung und damit der Kraft, sofern die mechanischen Parameter des verformten Elements bekannt sind.
Drehmomentsensoren für Manometer
Zur Messung des Kraftmoments werden empfindliche elastische Elemente in Form von Federn oder dünnen Wellen verwendet, die während des technologischen Prozesses verdreht werden. Die elastische Winkelverformung, also der relative Winkel von Anfang und Ende der Feder, wird gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das elastische Element ist normalerweise in einem Rohr eingeschlossen, dessen eines Ende stationär befestigt ist und dessen anderes Ende mit einem Winkelverschiebungssensor verbunden ist, der den Divergenzwinkel zwischen den Enden des Rohrs und dem verformbaren Element misst.
Dadurch erhält man ein Signal, das Auskunft über die Größe des Drehmoments gibt.Um das Signal von der Feder zu entfernen, sind die Drähte des Dehnungswiderstandselements über Schleifringe mit den Bürsten verbunden.
Magnetostriktive Kraftsensoren
Es gibt auch Kraftsensoren mit magnetostriktiven DMS-Wandlern. Wird hier verwendet das inverse Magnetostriktionsphänomen (Villari-Effekt), was darin besteht, dass sich bei Druck auf einen Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung (z. B. Permaloid) dessen magnetische Permeabilität ändert.
Längskompression des Kerns führt zu einer Ausdehnung seine Hystereseschleifen, nimmt die Steilheit der Schleife ab, was zu einer Verringerung des Wertes der magnetischen Permeabilität bzw. zu einer Verringerung der Induktivität bzw. Gegeninduktivität der Sensorwicklungen führt.
Da die magnetischen Eigenschaften nichtlinear sind und auch stark von der Temperatur beeinflusst werden, ist der Einsatz einer Kompensationsschaltung erforderlich.
Für die Entschädigung gilt folgende allgemeine Regelung. Ein geschlossener magnetostriktiver Magnetkern aus Nickel-Zink-Ferrit wird einer messbaren Kraft ausgesetzt. Ein solcher Kern erfährt keinen Kraftdruck, sondern die Wicklungen der beiden Drähte sind miteinander verbunden, sodass es zu einer Änderung der Gesamt-EMK kommt.
Die Primärwicklungen sind identisch und in Reihe geschaltet, sie werden mit Wechselstrom mit einer Frequenz von weniger als zehn Kilohertz gespeist, während die Sekundärwicklungen (ebenfalls gleich) gegenläufig eingeschaltet sind und bei fehlender Verformungskraft die gesamte EMF beträgt 0. Wenn der Druck auf den ersten Kern zunimmt, ist die gesamte EMF am Ausgang ungleich Null und proportional zur Verformung.