Die meistverwendeten Prüfstandssensoren
Auf einem Prüfstand dienen Sensoren dazu, die physikalischen Größen zu messen, die für die Analyse des Verhaltens eines Prüfobjekts erforderlich sind. Je nach Art der Prüfung können sie Kräfte, Druck, Weg, Geschwindigkeit, Temperatur, Feuchtigkeit oder auch Helligkeit messen.
Diese Messwerte werden anschließend dazu verwendet, den Test zu steuern, die Konformität des Produkts zu überprüfen, Abweichungen zu erkennen oder mehrere Ergebnisse miteinander zu vergleichen. Ein falsch ausgewählter, falsch positionierter oder falsch kalibrierter Sensor kann die Interpretation der Daten verfälschen, selbst wenn der Prüfstand korrekt ausgelegt ist.
Die am häufigsten verwendeten Sensoren auf einem Prüfstand sind in der Regel Kraftsensoren, Drucksensoren, Positionssensoren, Geschwindigkeitssensoren, optische Sensoren und Feuchtigkeitssensoren. Ihre Auswahl hängt vom zu prüfenden Produkt, der geforderten Genauigkeit, der Prüfumgebung und der Art der zu verwertenden Daten ab.
SOMMAIRE
Wozu dienen die Sensoren auf einem Prüfstand?
Ein Sensor dient dazu, eine physikalische Größe in messbare Daten umzuwandeln. Auf einem Prüfstand wird er eingesetzt, um die Vorgänge während des Tests zu überwachen: die aufgebrachte Kraft, den Druck in einem Kreislauf, die Verschiebung eines Bauteils, die Drehzahl, die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder das Vorhandensein eines Lichtsignals.
Diese Informationen werden verwendet, um den Test zu steuern, die Ergebnisse zu vergleichen und zu überprüfen, ob das getestete Produkt die erwarteten Kriterien erfüllt. So kann beispielsweise ein Drucksensor den Verlauf eines Hydraulikkreislaufs überwachen, während ein Kraftsensor Zug-, Druck- oder Biegekräfte misst.
Die Wahl des Sensors hängt daher von der Art des durchgeführten Tests, der gewünschten Genauigkeit und der Umgebung ab, in der der Prüfstand betrieben wird. Ein Sensor, der an einem hydraulischen Prüfstand eingesetzt wird, unterliegt nicht immer denselben Anforderungen wie ein Sensor, der in einen mechanischen Prüfstand integriert ist.
Welche Sensoren werden auf einem Prüfstand verwendet?
Je nach Art des durchgeführten Tests kann ein Prüfstand mit mehreren Sensoren ausgestattet sein, um die für die Produktanalyse erforderlichen physikalischen Größen zu messen. Die folgende Tabelle zeigt die gängigsten Typen und ihre Hauptanwendungsbereiche.
Type de capteur | Mesure réalisée | Exemple d’utilisation sur banc d’essai |
Capteur de force | Effort, traction, compression, flexion | Mesurer la résistance d’une pièce, d’un matériau ou d’un assemblage |
Capteur de pression | Pression hydraulique ou pneumatique | Suivre un essai d’étanchéité, une épreuve hydraulique ou une pression cyclée |
Capteur de déplacement | Course, position, déformation | Contrôler la position d’un vérin ou mesurer la déformation d’un produit |
Capteur de vitesse | Vitesse de rotation ou de déplacement | Suivre un moteur, un axe, un actionneur ou un cycle dynamique |
Capteur optique | Présence, distance, position, contraste | Détecter une pièce, contrôler un repère ou mesurer sans contact |
Capteur d’humidité | Humidité ambiante ou environnementale | Suivre les conditions d’un essai climatique, d’endurance ou de vieillissement |
Kraft- und Drucksensoren
Kraft- und Drucksensoren gehören zu den gängigsten Sensoren auf einem Prüfstand. Mit ihnen lassen sich die auf ein Produkt einwirkenden Kräfte oder der Druck in einem hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Kreislauf messen.
Diese Messungen dienen dazu, die Belastbarkeit eines Bauteils zu überprüfen, Druckschwankungen zu überwachen, einen Prüfzyklus zu verfolgen oder während der Prüfung ein ungewöhnliches Verhalten festzustellen.
Der Kraftsensor
Der Kraftsensor misst je nach Einbauart eine aufgebrachte Zug-, Druck-, Biege- oder Scherkraft. Er kommt häufig in mechanischen Prüfständen zum Einsatz, insbesondere zur Bestimmung der Festigkeit eines Bauteils, eines Werkstoffs oder einer Baugruppe.
Auf einem Prüfstand lässt sich damit beispielsweise die Kraft messen, die erforderlich ist, um ein Produkt zu verformen, seine mechanische Festigkeit zu überprüfen oder den Verlauf einer Kraft während eines wiederholten Zyklus zu verfolgen.
Der hydraulische Druckwandler
Der hydraulische Druckwandler misst den Druck einer Flüssigkeit in einem Kreislauf. Er wird auf hydraulischen Prüfständen eingesetzt, um den Druck während einer Dichtheitsprüfung, einer hydraulischen Prüfung, einer Leistungsprüfung oder einer Druckzyklusprüfung zu überwachen.
Die Wahl dieses Sensortyps hängt vom zu messenden Druckbereich, der gewünschten Genauigkeit, der Art des Mediums und der während des Tests erforderlichen Erfassungsfrequenz ab.
Der Kraft- oder Drehmomentsensor
Bei bestimmten Prüfungen muss zudem eine Betätigungskraft oder ein Drehmoment gemessen werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Prüfstand das Verhalten eines Ventils, eines Hahns, einer Welle oder eines Mechanismus unter wiederholter Belastung überprüfen soll.
Diese Messungen ermöglichen es, den Verschleiß des Produkts, seine Laufruhe oder das Auftreten einer mechanischen Versteifung während des Tests besser zu verstehen.
Positions- und Bewegungssensoren
Mit Positions- und Bewegungssensoren lässt sich die Bewegung eines Elements während eines Tests verfolgen. Sie kommen zum Einsatz, wenn der Hub, die Winkelposition, die Abstandsänderung oder die Bewegung eines Stellglieds ermittelt werden soll.
Auf einem Prüfstand dienen diese Messungen dazu, die Position eines Zylinders zu kontrollieren, die Verformung eines Produkts zu überwachen, die Bewegung eines Mechanismus zu überprüfen oder mehrere Bewegungen während eines automatisierten Zyklus zu synchronisieren.
Inkremental- und Absolut-Drehgeber
Mit Drehgebern lassen sich Positionen oder Drehungen messen. Ein Inkrementalgeber gibt Positionsänderungen ausgehend von einem Referenzpunkt an, während ein Absolutgeber direkt eine bekannte Position liefert, selbst nach einem Stromausfall.
Sie werden häufig an motorisierten Achsen, Antrieben oder rotierenden Systemen eingesetzt, um eine Verschiebung oder Drehung während des Tests präzise zu verfolgen.
LVDT-Wegsensoren
Der LVDT-Sensor misst lineare Verschiebungen mit hoher Genauigkeit. Er eignet sich für Versuche, bei denen ein Hub, eine Verformung oder die Position eines Bauteils über einen bestimmten Zeitraum hinweg verfolgt werden soll.
Man findet ihn beispielsweise auf mechanischen Prüfständen, um die Verschiebung eines unter Belastung stehenden Bauteils zu messen, oder auf hydraulischen Prüfständen, um den Hub eines Zylinders zu überwachen.
Induktive und kapazitive Näherungssensoren
Näherungssensoren ermöglichen es, die An- oder Abwesenheit eines Objekts ohne direkten Kontakt zu erkennen. Induktive Modelle werden für Metallteile verwendet, während kapazitive Modelle andere Materialien erkennen können.
Auf einem Prüfstand dienen sie häufig dazu, eine Position zu sichern, das Vorhandensein eines Produkts zu bestätigen, das Erreichen eines Endpunkts zu erkennen oder vor Beginn des Tests zu überprüfen, ob ein Bauteil korrekt positioniert ist.
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Geschwindigkeitssensoren
Mit Geschwindigkeitssensoren lässt sich die Bewegungs- oder Drehgeschwindigkeit eines Bauteils während eines Tests messen. Sie sind nützlich, wenn das Verhalten des Produkts von der Bewegung, der Reaktionszeit oder der Wiederholung eines Zyklus abhängt.
Auf einem Prüfstand können diese Messungen dazu dienen, die Drehzahl einer Achse zu überwachen, die Drehung eines Motors zu verfolgen, die Bewegung eines Stellglieds zu überprüfen oder die Gleichmäßigkeit eines Mechanismus über mehrere Zyklen hinweg zu vergleichen.
Tachometer
Der Drehzahlmesser misst die Drehzahl. Er kann zur Überwachung eines Motors, einer Welle, einer Rolle oder eines beliebigen rotierenden Elements in einem Prüfaufbau verwendet werden.
Diese Messung ist nützlich, wenn man eine Nenndrehzahl überprüfen, eine Abweichung feststellen oder eine Drehung mit anderen auf dem Prüfstand gemessenen Parametern synchronisieren möchte.
Lineare Geschwindigkeitssensoren
Lineare Geschwindigkeitssensoren messen die Bewegungsgeschwindigkeit eines sich translatorisch bewegenden Elements. Sie können an Zylindern, Aktuatoren oder geführten Systemen eingesetzt werden.
Auf einem Prüfstand helfen sie dabei, die Wiederholgenauigkeit einer Bewegung zu kontrollieren, die Einhaltung eines Bewegungsprofils zu überprüfen oder das Verhalten des Produkts während einer dynamischen Phase zu analysieren.
Optische Sensoren
Optische Sensoren nutzen Licht, um eine Anwesenheit, eine Position, einen Abstand, eine Farbe oder einen Kontrast zu erfassen. Sie kommen häufig zum Einsatz, wenn eine berührungslose Messung durchgeführt oder ein Zustand während eines Testzyklus schnell überprüft werden soll.
Auf einem Prüfstand können sie dazu dienen, das Vorhandensein eines Produkts zu überprüfen, den Durchlauf eines Bauteils zu erfassen, eine visuelle Markierung zu kontrollieren oder einen Arbeitsschritt vor Beginn des Tests abzusichern. Sie sind auch nützlich, wenn ein direkter Kontakt mit dem Bauteil unerwünscht ist.
Lichtschranken
Lichtschranken erkennen die Anwesenheit oder das Vorbeifahren eines Objekts mithilfe eines Lichtstrahls. Je nach Konfiguration des Prüfstands können sie als Durchlicht-, Reflexions- oder Direktlichtschranken betrieben werden.
Dieser Sensortyp wird häufig verwendet, um zu überprüfen, ob ein Produkt richtig positioniert ist, Durchgänge zu zählen oder eine automatische Aktion in einer Testsequenz auszulösen.
Lasersensoren
Mit Lasersensoren lassen sich Entfernungen, Positionen oder Verschiebungen präzise und berührungslos messen. Sie sind besonders nützlich, wenn es darum geht, geringfügige Veränderungen zu erfassen oder empfindliche, verformbare oder schwer zu messende Produkte zu messen.
Sie können in einen Prüfstand integriert werden, um einen Hub zu überwachen, die Geometrie zu überprüfen, eine Verformung zu messen oder die Entwicklung eines Bauteils während eines Tests zu verfolgen.
Feuchtigkeitssensoren
Feuchtesensoren messen die Wassermenge in der Luft oder in einer Testumgebung. Sie sind nützlich, wenn Umgebungsbedingungen das Verhalten des Testprodukts verändern oder die Messqualität beeinflussen können.
Auf einem Prüfstand kann dieser Sensortyp integriert werden, um die Luftfeuchtigkeit in einer Klimakammer zu überwachen, eine Alterungsumgebung zu kontrollieren oder die Bedingungen eines Langzeitversuchs zu überprüfen.
Warum sollte man während eines Tests die Luftfeuchtigkeit messen?
Feuchtigkeit kann sich auf bestimmte Materialien, elektronische Bauteile, Klebeverbindungen, Kunststoffteile oder Produkte auswirken, die wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Durch ihre Messung lassen sich die Ergebnisse besser interpretieren und es wird vermieden, dass eine Abweichung dem Produkt zugeschrieben wird, wenn sie in Wirklichkeit auf die Testumgebung zurückzuführen ist.
Größen, die häufig mit der Temperatur in Verbindung stehen
In vielen Fällen wird die Luftfeuchtigkeit gleichzeitig mit der Temperatur gemessen. Anhand dieser beiden Parameter lassen sich die Testbedingungen besser beschreiben, insbesondere bei Dauer-, Alterungs-, Umwelt- und Langzeitstabilitätstests.
Wie wählt man einen Sensor für einen Prüfstand aus?
Die Wahl eines Sensors hängt nicht nur von der zu messenden Größe ab. Es müssen auch das zu prüfende Produkt, die Art der Prüfung, die erwartete Genauigkeit und die Umgebung, in der der Prüfstand betrieben wird, berücksichtigt werden.
Die wichtigsten zu prüfenden Kriterien
- die zu messende Größe: Kraft, Druck, Weg, Geschwindigkeit, Temperatur, Feuchte oder optisches Signal;
- den erforderlichen Messbereich mit einem den Prüfbedingungen angepassten Spielraum;
- die erwartete Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen;
- die Erfassungsfrequenz, insbesondere bei Schnell- oder Zyklustests;
- die Umgebungsbedingungen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Spritzwasser, Vibrationen, Staub oder mechanische Beanspruchungen;
- die Anforderungen an die Kalibrierung und die Rückverfolgbarkeit der Ergebnisse.
Bei einem hydraulischen Prüfstand stehen häufig Druck, Durchfluss, Temperatur oder Dichtheit im Vordergrund. Bei einem mechanischen Prüfstand hingegen beziehen sich die Messungen eher auf Kräfte, Verschiebungen, Zyklen oder Verformungen.
Der Sensor muss schließlich mit der Erfassungssoftware kompatibel sein. Die Daten müssen gespeichert, verglichen und in einen Prüfbericht integriert werden können, der von den Teams in den Bereichen Qualitätssicherung, Forschung und Entwicklung oder Labor ausgewertet werden kann.
Messtechnik und Kalibrierung von Kraftsensoren
Protokolle für Vor-Ort-Kontrollen und Rückverfolgbarkeit mechanischer Messungen
In der Welt der mechanischen Prüfungen hängt die Genauigkeit von Dauer-, Zug- oder Biegeversuchen direkt von der Stabilität der Messketten ab. Die Konstruktionen unserer Maschinen verfügen über spezielle Anschlüsse und mechanische Kalibrierhalterungen. Diese Konfigurationen ermöglichen den Einbau eines Referenz-Master-Sensors (Kalibrier-Wägezelle) direkt in Reihe in der Achse des Schubzylinders, ohne dass die Werkzeuge oder der Führungsrahmen vollständig demontiert werden müssen.
Das unter der Umgebung LabVIEW entwickelte Computerprogramm enthält ein natives Messmodul, auf das über ein gesichertes Administratorprofil zugegriffen werden kann. Bei den regelmäßigen Überprüfungen legt der Bediener eine kontrollierte Belastungsrampe an 3 bis 5 Punkten der Messskala des Kraftsensors an. Die Software berechnet sofort die linearen Regressionsgeraden und aktualisiert die Korrekturkoeffizienten, um mögliche Abweichungen des analogen Signals (4-20-mA-Schleifen oder 0-10-V-Signale) zu beseitigen.
Jeder Kalibrierungszyklus erzeugt einen unveränderlichen Verlauf. Die Ergebnisse, die festgestellten Abweichungen und die Linearitätskurven werden gespeichert und anschließend automatisch in den digitalen Formaten CSV oder TDMS exportiert. Diese Dateien liefern den technischen Leitern und Qualitätsbeauftragten die messtechnischen Berichte, die für die Validierung von Zertifizierungsaudits und die Gewährleistung der Wiederholbarkeit der Dauerprüfungen auf unseren mechanischen Prüfständen unerlässlich sind.
Von der physikalischen Messung bis zur Produktkonformität
Kraft, Geschwindigkeit, Helligkeit oder Feuchtigkeit: Die direkte physikalische Messung ist unerlässlich, um das Verhalten eines industriellen Systems zu überprüfen. Durch den Einbau dieser Sensoren lassen sich konkrete Messdaten nutzen, sowohl bei Entwicklungstests in der Forschung und Entwicklung als auch an den Produktionskontrolllinien.
Die Zuverlässigkeit künftiger Prüfstände hängt unmittelbar von der Genauigkeit dieser Instrumente ab. Eine strenge Bewertung im Labor oder in der Werkstatt bleibt das einzige technische Mittel, um Messabweichungen zu isolieren, die Lebensdauer der Komponenten zu validieren und die im Lastenheft geforderte endgültige Konformität zu gewährleisten.
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