Ein neuer Drehmoment-Sensor wird die Maschinensteuerung revolutionieren

Mit der Vorstellung der von der Firma Sensor Technology Ltd. entwickelten TorqSense Drehmoment-Messwertwandlern der Baureihe RWT310/320 anlässlich der MTEC Ausstellung in Birmingham, England, und der Hannovermesse, wurde Maschinenkonstrukteuren eine bedeutende neue Technologie zur Messung der Leistung an Antriebswellen und rotierenden Maschinenteilen vorgestellt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schleifring-Messwertwandlern benutzen die RWT-Geräte zum Antrieb und zur Signalweiterleitung eine einfache berührungslose Funk-Messtechnik-Kopplung. Dies bedeutet, dass die Geräte mechanisch unkompliziert sind und als solches die Erwartungen von Maschinenherstellern und Elektronikingenieuren neu definieren werden, die bisher eine Menge Zeit und Geld investieren mussten, um die für akkurate Maschinensteuerung und Produktionsüberwachung erforderlichen genauen Drehmomentlesungen zu erhalten.

Zu ihren Eigenschaften gehören eine integrierte Elektronik mit Ausgängen für Drehmoment, Geschwindigkeit, Leistung und Winkel. Der RWT310 bietet analoge Ausgänge, und der RWT320 sowohl analoge als auch digitale Ausgänge, die mit PC-Schnittstellen, wie z.B. seriell oder USB, direkt kompatibel und so für Signalwerte vom Benutzer programmierbar sind. Zu den weiteren innovativen Eigenschaften gehören eingebaute Abfragen für Höchstdrehmomente, Speicherung und Drehmomentmittelwerte, sowie ein Paket mit Tests zur Selbstdiagnose. Sowohl der RWT310 als auch der RWT320 können mit verschiedenen Betriebsspannungen betrieben werden.

Zur Realisierung des berührungsfreien Betriebs, der die TorqSense Messwertwandler so einzigartig macht, werden SAW (Akustische Oberflächenwellen)-Geräte als frequenzabhängige Dehnungsspannungsmesser eingesetzt, um die durch Belastung der Antriebswelle ausgelöste Änderung der Resonanzfrequenz zu messen. Dieser Messwert hängt mit dem im rotierenden Maschinenteil entstehenden Drehmoment direkt zusammen.

Verwendete SAW-Geräte werden auf der Welle montiert und ihre Ausgangssignale über eine Schwachstrom-Funkkupplung an einen benachbarten Empfänger gesandt, der diese interpretiert und sie entweder in einen Drehmoment-Messwert umwandelt oder zur weiteren Berechnung an einen PC weiterleitet.

In einem SAW-Sensor werden Oberflächenwellen produziert, indem Wechselstrom durch die Anschlüsse zweier sich überlappender kammförmiger Elektroden, die auf einer Seite eines piezoelektrischen Substrats aufgebracht werden, geleitet wird. Eine Empfängerelektrode an der anderen Seite des Messwertwandlers wandelt die Welle in ein elektrisches Signal um.

Die Wellenlänge hängt vom Abstand der Zähne in der Elektrode ab, und die Wellen breiten sich rechtwinklig zu den Zähnen aus. Daher ändert jegliche Variation ihrer Länge, die durch die dynamischen Kräfte der Wellenrotation verursacht werden, den Abstand der Zähne und somit die Betriebsfrequenz. Spannung im Messwertwechsler reduziert die Betriebsfrequenz, während Kompression diese erhöht.

Um das Drehmoment in einer rotierenden Welle zu messen, werden zwei SAW-Sensoren mit einem Winkel von 45 Grad zur Rotationsachse mit einer Welle verbunden. Wenn die Welle einem Drehmoment ausgesetzt wird, entsteht ein Signal, das über die kapazitive RF-Kopplung an den benachbarten festen Abtaster übertragen wird. Diese Kopplung besteht aus zwei Scheiben: eine rotiert mit der Welle, und die andere ist statisch.

Die Oszillationsfrequenz beträgt gewöhnlich 200MHz.

Die Frequenzbasis des TorqSense-Konzepts liefert eine große Bandbreite, so dass die Anfälligkeit für elektronische Störungen, die bei anderen analogen Geräten wie z.B. Induktionsgeräten, häufig auftreten, eliminiert wird.

‘TorqSense’ unter Verwendung des SAW-Konzepts wurde von den Zwillingsbrüdern Anthony und Bryan Lonsdale, den Gründern der Firma Sensor Technology, entwickelt, markenrechtlich geschützt und patentiert. Zwar stehen seit etwa fünf Jahren bereits eine Reihe von SAW-gestützten Messwertwandlern zur Verfügung; diese wurden jedoch praktisch handgefertigt, und die Steuerelektronik war vom Abtaster physikalisch getrennt.

“Unsere frühen Modelle sollten robust und einfach sein, sowohl hinsichtlich der Benutzung als auch der Herstellung,” sagt Bryan. “Dies war notwendig, um sie für Benutzer aller möglichen Branchen attraktiv zu machen, die so freundlich waren, unsere radikal neue Technologie auszuprobieren, die aber möglicherweise abgeschreckt worden wären, falls die Geräte zu empfindlich oder kompliziert gewesen wären."

“Nachdem sich das Konzept nun in der Realität von Fabrikanlagen, verfahrenstechnischen Anlagen sowie kommerziellen Laboren bewährt hat, setzen wir unsere Entwicklung mit der Baureihe RWT310/320 fort, für welche wir die Elektronik und den Abtaster in einem Gehäuse untergebracht und alles für die Serienproduktion entworfen haben.”

Die TorqSense-Modelle der Baureihe RWT310/320 werden für die Endwerte 1Nm bis 20Nm verfügbar sein, und andere Größen mit Endwerten bis zu 10000Nm werden folgen.