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Die genaue Messung des Drehmoments kann insbesondere bei umlaufenden Wellen oft schwierig sein, aber eine Neuentwicklung auf diesem Gebiet schafft ab sofort Abhilfe, so Mark Ingham von Sensor Technology.
Eine genaue Messung des Drehmoments ist Voraussetzung für die Entwicklung einer Vielzahl von Produkten, angefangen von Unterwasserturbinen für Gezeitenkraftwerke und neuartiger Motoren für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bis hin zu Tierschermaschinen und Thermostatventilen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden viele Verfahren zur Drehmomentmessung entwickelt, von denen die meisten jedoch nur die Spannungsbelastung messen, die durch das Drehmoment auf ein mechanisches Bauteil, etwa eine Antriebswelle, einwirken, und berechnen dann ausgehend von diesem Messwert das im Bauteil auftretende Drehmoment.
Bei herkömmlichen Ansätzen zur Spannungsmessung wurden optische Verfahren wie beispielsweise Moiré- oder Laser-Techniken sowie kapazitive, induktive, piezoelektrische, resistive und zahlreiche andere elektrische Messverfahren genutzt. Viele dieser Verfahren sind jedoch teuer oder unpraktisch für den Einsatz außerhalb eines Prüflabors. Die Verformungsmessung mithilfe resisitiver Dehnungsmessstreifen ist eine Ausnahme, weshalb diese Technik in der Praxis weit verbreitet ist.
Trotz ihrer Vorteile gibt es im Wesentlichen zwei Gründe, weshalb resistive Dehnungsmessstreifen aber keine ideale Lösung bieten.
Erstens sind die Widerstandsänderungen, die durch die Dehnung im Messstreifen entstehen, sehr gering und erschweren dadurch eine genaue Messung. Ebenso wird das Messsystem dadurch anfällig für Fehler, die durch Rauschen hervorgerufen werden.
Das andere Problem besteht darin, dass es schwierig ist, elektrische Verbindungen mit einem Dehnungsmessstreifen herzustellen, der an einem beweglichen Messkörper aufgebracht ist. Diese Einschränkung kann beispielsweise durch die Verwendung von Schleifringen oder einer trafobasierten induktiven Kopplung umgangen werden. Diese Methoden sind jedoch kostenintensiv und wenig praktikabel. Ein besonders gravierender Nachteil, da die Grundvoraussetzung in vielen Anwendungsbereichen darin besteht, das Drehmoment in einer Welle zu messen, während sie sich dreht, und zwar oft mit hoher Geschwindigkeit.
Die Unzulänglichkeiten herkömmlicher Verfahren der Drehmomentmessung haben zur Entwicklung einer völlig neuen Technologie auf Basis akustischer Oberflächenwellen- (OFW-) Messumformer geführt. Diese bestehen im Wesentlichen aus zwei dünnschichtigen, fingerförmig ineinander greifende Metallelektroden auf einem piezoelektrischen Substrat, wie z. B. 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. Bei Befestigung 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.
Da OFW-Messumformer mit Funkfrequenzen arbeiten, können die entstehenden Signale über eine Funksignalkopplung übertragen werden. Drehmomentsensoren mit integrierter OFW-Messumformer-Technologie eignen sich besonders für den Einsatz an drehenden Wellen und anderen beweglichen Bauteilen und können auch ohne den Einsatz häufig unzuverlässiger Bürsten und Schleifringe, mit denen herkömmliche Drehmomentmesssysteme ausgestattet sind, kontinuierlich Daten bereitstellen.
Auf Grundlage der patentierten OFW-Messumformer-Technologie konnte ein neuartiger Drehmomentaufnehmer entwickelt werden, der zahlreiche Vorteile bietet. Dazu gehört beispielsweise die kurze Länge der Welle sowie eine damit verbundene hohe Steifigkeit, geringe Trägheit und hohe Drehgeschwindigkeit der Welle, da die Elektronik nicht an der Welle befestigt ist; weitere Vorzüge ergeben sich aus der sehr hohen Messgenauigkeit und -auflösung, der hervorragenden Störfestigkeit und einer außergewöhnlichen Überlastfähigkeit.
Mit den neuen Sensoren, die derzeit u. a. in Standardversionen zur Messung des Drehmoments in einem Bereich zwischen 1 Nm und 13.000 Nm erhältlich sind, können die Messergebnisse sogar in Echtzeit übertragen werden. Für spezielle Anforderungen und Einsatzbereiche können auf Wunsch auch Versionen zur Messung noch höherer Drehmomente gefertigt werden.
Obwohl es sich bei den OFW-Messumformern um eine relative neue Entwicklung handelt, sind sie bereits lange genug und in einem ausreichend breiten Anwendungsbereich im Einsatz, in denen sich ihre Zweckmäßigkeit und ihre Funktionssicherheit auch unter schwierigen Betriebsbedingungen bereits vielfach bewährt haben. Von Benutzern wurde insbesondere berichtet, dass ein wesentlicher Vorteil der Sensoren in deren Messgenauigkeit sowie in der Verfügbarkeit der Ergebnisse in Echtzeit besteht, da die Auswirkungen von Änderungen am Prüfobjekt unmittelbar sichtbar sind.
Gegenwärtig ist ein wachsendes Interesse an der Entwicklung neuer Produkte festzustellen, das vor allem aus dem Trend zu mehr Energieeffizienz und zur Stärkung der Marktposition durch den Ausbau des technischen Kompetenzvorsprungs von Unternehmen resultiert. Teil dieser Entwicklungsarbeit sind häufig Innovationen im Bereich der Drehmomentmessung, die, wie wir gesehen haben, dank der Einführung berührungsloser Drehmomentaufnehmer auf Basis der OFW-Technologie heute noch einfacher und bequemer zu bewerkstelligen ist als je zuvor.
