Entwicklung einer Messelektronik zur Zustandsüberwachung von Wälzlagern mittels Integration von Dünnfilmsensoren

verfasst von

Tobias Steppeler, Hendrik Siemßen, Rico Ottermann, Dennis Konopka, Folke Dencker, Florian Pape, Gerhard Poll, Bernhard Wicht, Marc Wurz

Abstract

Zur Umsetzung der Energiewende sind Windkraftanlagen ein wichtiger Bestandteil. Der Be-trieb und die Wartung von Windkraftanlagen sind eine Herausforderung, da das Personal ständig gefährlichen Umgebungen ausgesetzt ist. Es besteht die Möglichkeit, die Wartung konventioneller Maschinenelemente wie Wälzlager oder Zahnräder in Windkraftanlagen zu verbessern, indem Sensoren zur intelligenten Überwachung der Anlagen in Verbindung mit einer kompakten Elektroniklösung integriert werden. Die Sensoren werden dabei in Dünn-filmtechnik direkt auf der Lagerscheibe in sowie nahe des tribologischen Kontakts platziert, um eine maximale Informationstiefe über den Lagerzustand zu erhalten. Dabei sollen sie Dehnungen von ≤ 10 µm/m auflösen können, um auch die bei geringer Belastung simula-tionsbasiert ermittelten Dehnungen im Bereich von 100-200 µm/m zuverlässig messen zu können. Die Wider-standsänderung der Sensoren beträgt ca. 2 mΩ/(µm/m). Die entwickel-te Messelektronik besitzt bei 10 kHz eine Empfindlichkeit von 0,66 mV/mΩ mit einer Auf-lösungsgrenze von etwa 5 mΩ, was bei einem Eigenrauschen von 1,6 mVrms eine minimal detektierbare Dehnung von etwa 2,3 µm/m bedeutet. Dies ist auf den k-Faktor von 2,15 der Dünnfilm-DMS zurückzuführen. Aufgrund des Aufbaus der Dünnfilmdehnungsmessstrei-fen treten signifikante Zuleitungswiderstände auf, die das zu erfassende Sensorsignal be-einflussen. Daher ist seitens der Elektronik eine aktive Zuleitungskompensation mithilfe von Operationsverstärkern integriert, die die Zuleitungswiderstände ausregelt. Somit wird die Zuleitungsempfindlichkeit im Vergleich zur DMS-Messempfindlichkeit um mehr als das Tausendfache reduziert, sodass deren Einfluss auf das Sensorsignal zu vernachlässigen ist. Das analoge Messsignal wird mit einer verifizierten Abtastfrequenz von 50 kHz digitalisiert, im digitalen Backend verarbeitet und über Bluetooth LE an einen Host-PC übertragen. Die Gesamtleistungsaufnahme beträgt dabei 396 mW, was einen Batteriebetrieb ermöglicht. Zukünftig soll das System aus applizierten Dünnfilmsensoren und der entwickelten Mes-selektronik zur ständigen Zustandsüberwachung von Maschinenelementen eingesetzt wer-den, um den Betrieb und die Wartung von Anlagen zu optimieren.

Organisationseinheit(en)

Institut für Mikroproduktionstechnik
Fachgebiet Mixed-Signal-Schaltungen
QUEST Leibniz Forschungsschule
Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie
Laboratorium für Nano- und Quantenengineering

Typ

Paper

Publikationsdatum

03.06.2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht