Berührungslose Drehmomenterfassung

Wir liefern unsere Systeme mit einem induktiven Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehmomenten. Das Messprinzip des Sensors basiert auf dem Villary-Effekt in ferromagnetischen Materialien.

Berührungsloses Torsionsmonitoring

Torsionserfassung und -analysesysteme

Speziell die durch Netzfehlfunktionen, Netzinteraktionen oder Bedienfehler ausgelösten Torsionsschwingungen eines Turbosatzes führen zu einer Ermüdung von Wellenkomponenten und können sogar schwere mechanische Schäden auslösen. Letztere induzieren in einigen Fällen zusätzliche permanente Torsionsschwingungen in der Drehfrequenz und deren Harmonischen. Deshalb ist es notwendig, eine kontinuierliche Überwachung eines Antriebsstranges auf Torsionsschwingungen hin zu gewährleisten.

 

Kontinuierliche Überwachung auf Torsionsschwingungen

In den letzten Jahren haben wir die Softwaretools TorStor, TorFat, TorGrid und TorAn entwickelt, die zusammen mit dem von uns exklusiv vertriebenen berührungslosen Drehmomentsensor jeweils ein Torsionserfassungs- und -analysesystem mit unterschiedlicher Komplexität bilden.  

Anwendungsbezogen erfassen wir mit dem jeweiligen System relevante Torsionsschwingungen und bewerten sowie visualisieren und analysieren im Zeit- und Frequenzbereich. Neben dem Langzeitmonitoring sind sie auch erfolgreich zur Ermittlung von Torsionseigenfrequenzen und mechanischen Dämpfungskonstanten der Antriebstränge im Einsatz.

Unsere Systeme sind im Auftrag von Unternehmen weltweit in Kraftwerken installiert. Über den Kraftwerksbereich hinaus eignen sich unsere Systeme – prinzipiell zur Torsionserfassung und -analyse an Antrieben mit ferromagnetischer Wellenoberfläche. Insbesondere stellen unsere Systeme eine ideale Erweiterung von Condition-Monitoring-Systemen für viele Anwendungen dar. Gerne binden wir sie auch in Ihr Produkt ein.

Condition-Monitoring-Systeme bei uns am Fraunhofer ITWM

Die Aufgaben im Rahmen des Torsionsmonitoring von Antriebssträngen sind vielfältig.  Im Folgenden stellen wir die entwickelten Verfahren und Softwaretools für die verschiedenen Fragestellungen vor. Geliefert werden unsere Systeme mit einem induktiven Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehmomenten. Im Folgenden stellen wir unsere entwickelten Verfahren und Softwaretools vor:

Screenshot TorVis – TorGrid
© Fraunhofer ITWM
Screenshot TorVis – TorGrid

TorGrid – Monitoring von Netzrückwirkungen auf konventionelle Energierzeuger

Durch den signifikanten Anstieg der Einspeisung erneuerbarer Energien sowie die Ankopplung der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung über Wechselrichter treten neuartige dynamische Effekte im elektrischen Netz auf. Insbesondere die Behandlung von bisher unbekannten Netzrückwirkungen auf die konventionellen Energieerzeugungseinheiten spielt hier eine Rolle.

Zum Monitoring der Netzrückwirkungen auf Kraftwerksturbosätze haben wir das Online-Monitoring-System TorGrid entwickelt. Dieses Messsystem erfasst synchron die Torsionsschwingungen des Wellenstrangs und die jeweils dreiphasigen Ströme und Spannungen am Generator sowie netzseitig am Transformator. Auf Basis intelligenter Trigger-Kriterien überwacht TorGrid die Messsignale und detektiert so die Events, die der Benutzer als kritisch bewertet. Neben den erfassten Messwerten von bis zu drei berührungslosen Drehmomentsensoren und den jeweils drei instantanen Strömen und Spannungen speichert TorGrid im Eventfall auch die aus diesen Messwerten bestimmten Leistungen des Generators sowie des Transformators auf der Netzseite.

Mit TorGrid planen unsere Kundinnen und Kunden im Bereich der konventionellen Kraftwerke (u. a. Uniper Anlagenservice) ihre Revisions- und Serviceaktivitäten noch besser. Langfristiges Ziel ist es, die mit TorGrid erfassten Signale zur Kompensation der Netzrückwirkungen zu verwenden.

TorVis – Analyse der Wechselwirkungen von Netz und Turbosatz

Die integrierte Visualisierungssoftware TorVis für TorGrid ermöglicht die nachträgliche Analyse der gespeicherten Momente-, Leistungs-, Strom- und Spannungsverläufe im Zeit- und Frequenzbereich. Die Software bietet dem Benutzenden damit die Möglichkeit, die Ursache der Torsionsbelastung des Wellenstranges zum Zeitpunkt des detektierten Events zu analysieren: externe Rückwirkungen aus dem elektrischen Netz, durch interne Mechanismen beim Erzeuger selbst ausgelöste Schwingungen oder Wechselwirkungen zwischen Turbosatz und elektrischem Netz – dazu zählen z. B. subsynchrone Resonanzen.

TorAn – Online-Monitoring gefährdeter Stellen eines Wellenstrangs

TorAn ist ein Tool für das Online-Monitoring von Torsionsschwingungen und für die Ermüdungsanalyse von rotierenden Maschinen. Basierend auf einem robusten Beobachter schätzt TorAn online auf der Grundlage der anregenden Momente sowie einer Torsionsmessung die Momentenverläufe an den vom Anwender gewünschten Stellen im System. Hierdurch wird die Anzahl der benötigten teuren Sensoren auf ein Minimum reduziert.

TorAn erkennt relevante Störfälle und berechnet die Ermüdung der gewünschten Systemkomponenten nach jedem solchen Störfall. Die Ermüdung, die maximal aufgetretenen Momente und Spannungen sowie das Verhältnis zwischen maximalen und erlaubten Momenten werden nach ihrer Berechnung in tabellarischer Form ausgegeben. Die Visualisierung der Störfallzeitreihen ist mit TorAn ebenfalls möglich.

TorStor – Erfassung relevanter Torsionsschwingungen

/etc/designs/default/0.gifTorStor kommt zum Einsatz, wenn es heißt experimentell oder aus Langzeitmessungen charakteristische Daten des Antriebsstrangs zu ermitteln. Dazu besitzt TorStor verschiedene Kriterien zur Speicherung der Messdaten sowie ein Oszilloskop, mit dem das Torsionsschwingungsverhalten während der Messungen beobachtet wird.

Die mit dem von uns vertriebenen berührungslosen Drehmomentsensor erfassten Signale werden über eine Messkarte an einen PC übergeben. Mit TorStor wird zunächst die Messkarte für die Drehmomenterfassung konfiguriert. Außerdem werden die an der Messkarte anliegenden Spannungen in Drehmomente umgerechnet und in Dateien in einer Länge von jeweils 20.000 Datenpunkten abgespeichert.

Die Darstellung der gespeicherten Drehmomentverläufe im Zeit- und Frequenzbereich leistet das integrierte Visualisierungstool TorVis.

TorFat – Messdatenbasierten Detektion und Bewertung kritischer Torsionsschwingungen

TorFat ist ein Tool für das Online-Monitoring von Torsionsschwingungen und die Schädigungsanalyse von rotierenden Maschinen an der Messstelle. Dazu benötigt TorFat wenige Informationen über die Geometrie und Materialdaten an der Messstelle.

TorFat analysiert die gemessenen Drehmomentverläufe und überprüft, ob ein relevanter Störfall vorliegt. Ist dies der Fall, so wird eine Ermüdungsanalyse für die überwachte Komponente durchgeführt und zu den bereits berechneten Schädigungen addiert.

Die Ausgabe der wesentlichen Ergebnisse der Schädigungsanalyse erfolgt in tabellarischer Form. Der Störfall kann mit dem integrierten Visualisierungstool im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt werden.

Berührungslose Drehmomenterfassung
© Fraunhofer ITWM
Geliefert werden unsere Systeme mit einem induktiven Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehmomenten.

Berührungslose Drehmomenterfassung

Wir liefern unsere Systeme mit einem induktiven Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehmomenten. Das Messprinzip des Sensors basiert auf dem Villary-Effekt in ferromagnetischen Materialien. Dabei nutzen wir aus, dass bei diesen Materialien die Permeabilität in Zug- und Druckrichtung z.B. bei einer Torsionsbeanspruchung unterschiedlich ist. Ohne Drehmomente ist die Permeabilität der Welle theoretisch sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung identisch. Damit ist auch das magnetische Feld in diesen Richtungen gleich. Bei vorhandenen Drehmomenten ist die Permeabilität des Wellenmaterials in Zug- und Druckrichtung unterschiedlich. Der Sensor misst induktiv diese Differenz, die in einem großen Messbereich proportional zur Oberflächenspannung bzw. Drehmoment ist.

Technische und Geometrische Daten

Parameter

Wert

Fehler

Eingangsspannung DC

12 V

5 Prozent

Stromaufnahme

40 mA

5 Prozent

Ausgangssignal

0-4V bzw. 4-12mA mit Wandlerbox (siehe unten)

 

Auflösung Ausgangssignal

12 bit

 

 

 

 

Temperaturbereich

10°-70°C

 

Temperaturkompensation

Ja

 

Nullpunktanpassung

Ja, mit mitgelieferter Software

 

 

 

 

Gehäuse Material

Aluminium

 

Deckelmaterial (Steckerseite)

Aluminium

 

Material Spulenseite

PA12

 

 

 

 

Länge/Breite

36,9mm

1 Prozent

Höhe ohne Stecker

18,8mm

2 Prozent

Höhe mit Stecker

31,7mm

2 Prozent

Durchmesser Messkopf

36,9mm

1 Prozent

 

 

 

Wandlerbox

 

 

Hardware Revision

2

 

Gehäusematerial

ABS plasitc

 

Eingangsspannung

5-36V

 

Stromverbrauch

10mA

 

Ausgang

4-20 mA differenziell mit Erdungs-Ader