Sensoren voor overspeedmetingen

Het kiezen van de juiste speedsensor voor de applicatie is van cruciaal belang voor een goede meting. Het signaal van de sensor is tenslotte de input voor het overspeed-bewakingssysteem. Een foutieve sensor leidt tot onbetrouwbaar inputsignaal en heeft negatieve invloed op de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het bewakingssysteem.

Voor kiezen van de juiste sensor zijn er een aantal overwegingen te nemen, welke gecategoriseerd kunnen worden in omgevings- en machine-gerelateerde overwegingen.

Machine-gerelateerde overwegingen:

  1. Wat is het verwachte toeren-bereik?
  2. Wat is het target dat gemeten wordt en wat zijn de specificaties?
  3. Zijn er beperkingen in gewicht en afmeting op de installatie locatie?
  4. Wat is de benodigde kabellengte?

Omgevingsoverwegingen:

  1. Wat is de verwachte omgevingstemperatuur?
  2. Bevind de meting zich in een ATEX omgeving?
  3. Zijn er sterke elektromagnetische-velden aanwezig?
  4. Bevind de meting zich in een corrosieve omgeving?

Voor industriële toerenmetingen zijn er drie voornaamste soorten meetprincipes: elektromagnetische sensoren, eddy current sensoren en Hall-effect sensoren.

Elektromagnetische sensoren

Een elektromagnetische sensor, ook wel variable reluctance sensor (VR) genoemd, maakt gebruik van de verandering in het magnetisch veld om de snelheid van het tandwiel te meten. De sensor bevat een spoel die om een magneet gewikkeld is en wanneer de tanden van een tandwiel de sensor (magneet) passeren veroorzaken deze een verandering in de magnetische stroom (flux) en de spoel. Het bewegende tandwiel zorgt voor een variërende flux die een proportionele spanning in de spoel induceert waarbij de frequentie proportioneel is aan de rotatiesnelheid. Het signaal is een sinusvormig-signaal waarvan de amplitude afhankelijk is van de grootte van het target, de snelheid en de afstand.

Figuur 1 – Een elektromagnetische sensor geeft een sinusvormig-uitgangssignaal

Voordelen

Een voordeel van VR sensoren is de toepasbaarheid bij hoge-temperatuur applicaties. Zo zijn er bepaalde type sensoren geschikt om metingen te doen bij temperaturen van meer dan 300°C. Bovendien zijn deze sensoren heel eenvoudig en zeer betrouwbaar. Een ander groot voordeel is dat de sensor een tweedraads aansluiting heeft en daarmee vaak past binnen bestaande infrastructuren.

Nadelen

Een groot nadeel van VR sensoren is dat de amplitude van het signaal afhankelijk is van de combinatie van de grootte, snelheid en afstand van het doelmateriaal. Als de snelheid te laag is, de tanden van het tandwiel te klein of de afstand tot het doelmateriaal te groot, zal het signaal afvlakken. Wanneer er sprake is van een hoge snelheid, grote tandwiel tanden en een kleine afstand tot het doelmateriaal, zal het signaal enorme pulsen geven (tot wel 80V). De applicatie en positionering van VR sensors vraagt veel aandacht en expertise voor het naar behoren functioneren van dit type sensor. Omdat VR sensoren niet goed functioneren bij lage snelheden zijn deze niet geschikt voor zero-speed detectie.

Figuur 2 – Wanneer de snelheid dusdanig laag is wordt er geen bruikbaar signaal gecreëerd.

 

Eddy current sensoren

Een eddy current sensor, ook wel wervelstroom sensor genoemd, maakt gebruik van een elektromagnetisch veld om verandering in afstand tot een object te meten.

Wanneer een tand van een tandwiel voorbij de sensor beweegt is de afstand klein, en wanneer de inkeping van een tandwiel voorbij de sensor beweegt is de afstand groot. De rotatiesnelheid kan bepaald worden aan de hand van de tijd tussen deze gebeurtenissen; dichtbij (tand) en verder weg (inkeping).

Figuur 3 – Een eddy current sensor geeft een sinusvormig-uitgangssignaal

Voordelen

Een groot voordeel aan een proximity probe is dat door het meetprincipe zowel de pulsen als de positie ten opzichte van de tanden worden weergegeven. Hiermee is er inzicht in de ingestelde afstand tot aan de tanden van het target.

Eddy current sensoren zijn ook beschikbaar met een dynamic current output, wat het mogelijk maakt om lange kabels te gebruiken (tot 1000m). Wanneer er een dynamic current versie gebruikt wordt dan is deze sensor niet afhankelijk van een van de invloed van kabelimpedantie, waar dat wel het geval is bij proximity probes gebaseerd op spanningsoutputs, Hall-effect en VR sensoren.

Nadelen

Het gebruik van eddy current sensoren voor het bepalen van speed heeft een nadeel. Bij een hoog toerental (RPM) kan er verzadiging optreden, waardoor de sinus-vormige lijn steeds meer rechtgetrokken wordt. Door de hoge snelheid waarmee de tandwielen zich voorbij de sensor bewegen detecteert de sensor nauwelijks een verschil in afstanden. Hoe hoger het toerental, des te minder effectief deze sensor zal zijn voor snelheidsmetingen.

Een tweede nadeel is dat een eddy current probe niet goed om kan gaan met excentriciteit van het target. Excentriciteit van het target genereert een sinus in een sinus. Dit leidt tot problemen, vooral wanneer er signaalverzadiging optreedt bij het relevante sinus signaal. De sinus van de excentriciteit van het tandwiel kan dan leidend worden in de output in plaats van de sinus van de tanden van het tandwiel en de inkepingen.

Hall-effect sensoren

Een Hall-effect sensor meet veranderingen in de magnetische flux tussen de magneet en het doelmateriaal. Hall-effect sensoren hebben doorgaans ingebouwde signaalversterkers, waarmee een duidelijke bloksignaal wordt gegenereerd. In tegenstelling tot een VR-sensor is een Hall-effect sensor gevoelig voor de grootte van de magnetische flux, en niet voor de snelheid van verandering.

Hall-effect speedsensoren hebben een breed meetbereik en kunnen gebruikt worden om zowel langzaam bewegende of stilstaande onderdelen als snel bewegende onderdelen te meten.

Figuur 4 – Een Hall effect sensor geeft een blokgolf-uitgangssignaal

Voordelen

Een voordeel van een Hall-effect sensor is dat er de sensor direct een digitale output geeft wat makkelijk is om te verwerken door speed systemen. Een ander voordeel is dat Hall-effect sensoren meestal voorzien zijn van interne signaalverwerking. Het signaal wordt zeer snel gedigitaliseerd en versterkt, waardoor het minder kwetsbaar is voor storingen zoals EMI (elektromagnetische interferentie).

Nadelen

Door de ingebouwde elektronica zijn Hall-effect sensoren doorgaans beperkt tot applicaties in omgevingstemperaturen van -40°C tot +150°C. Daarnaast hebben Hall-effect sensoren driedraads aansluitingen nodig.

Waarom Hall-effect sensoren de voorkeur hebben:

  • Betrouwbare toerentalregistratie vanuit stilstand. Dit maakt het mogelijk om al vanaf 0,1 Hz te meten.
  • Digitale signalen zijn geschikt voor lange afstanden (tot 300m).
  • Bloksignalen zijn gemakkelijk te verwerken door speedsystemen.
  • Mogelijkheid om twee sensorelementen in één sensorbehuizing te bouwen, waarmee draairichting bepaald kan worden.
  • De constructie van de sensor is kleiner en lichter.
  • Geringe gevoeligheid voor elektromagnetische storingen.
  • Hall-effect sensoren zijn eenvoudiger om op de juiste wijze te positioneren dan VR-sensoren en minder gevoelig voor excentriciteit van het doelmateriaal dan eddy current sensoren.
  • Het minst gevoelig voor trillingen en temperatuurschommelingen.