Die Bahn ist für viele Menschen ein wichtiges Verkehrsmittel. Knapp 2 Milliarden Fahrgäste zählte der Schienenpersonenverkehr in Deutschland im Jahr 2022. Zudem sind Waren und Güter auf Schienen unterwegs. Der technologische Fortschritt erhöht die Sicherheit und den Fahrkomfort im Schienenverkehr. Moderne Sensoren sind hierbei unerlässlich. Sie sind in der Lage, eine Vielzahl von Informationen zu sammeln, beispielsweise Geschwindigkeit, Position, Neigung und Abnutzungsgrad von Bauteilen. Mit diesen Daten wird Verschleiß frühzeitig erkannt, Wartungsintervalle werden planbar und Bremsvorgänge oder die Waggonneigung können überwacht werden.
Eine dieser Aufgaben ist die Messung mit Inertialsensoren, um Schwingungen von Waggons zu kompensieren. Verschleiß und Abnutzung im Radsatz sowie im Drehgestell können Eigenschwingungen verursachen, die im Fahrgastbereich wahrnehmbar sind. Beschleunigungssensoren der Reihe Inertialsensor von Micro-Epsilon messen die Schwingungen an verschiedenen Stellen im Triebwagen, in Lokomotiven und in Waggons. Über die Auswertung der hochpräzisen Ergebnisse ist eine Schwingungskompensation möglich. Der Neigungssensor Inertialsensor INC5502D, der mit einer Kombination aus Gyroskop und Beschleunigungssensor arbeitet, eliminiert effektiv Messfehler. Zum Einsatz kommt dabei ein innovativer Algorithmus zur Störungskompensation, der sogenannte Sensor-Fusion-Algorithmus.
Der Neigungssensor erreicht dadurch eine sehr hohe Signalstabilität und bietet trotzdem eine hohe Dynamik. Selbst in äußerst dynamischen Anwendungen erzielt der Sensor eine Genauigkeit von bis zu ± 0,3°. Die hohe Signalgüte und eine sehr kurze Reaktionszeit ermöglichen damit genaue Messungen.
Der Neigungssensor misst in zwei Achsen. Er deckt einen Winkelbereich von 360° in einer Achse und 85° in der zweiten Achse ab.
Radreifenprofilmessung
am Prüfstand
Der Radverschleiß, der bei Schienenfahrzeugen durch die hohe Laufleistung verursacht wird, beeinflusst die Sicherheit und die Fahreigenschaften. Daraus resultieren auch beträchtliche Instandhaltungskosten. Um Profilsätze ganzer Züge vorbeugend erfassen zu können, werden Laser-Sensoren von Micro-Epsilon eingesetzt. Die Sensoren sind direkt im Gleisbett integriert. Sie befinden sich in drei Wannen, die hintereinander quer zur Fahrtrichtung im Gleisbett eingelassen sind. In den Wannen 1 und 3 befinden sich je zwei Laser-Abstandssensoren der Baureihe Opto-NCDT. Diese ermitteln den Raddurchmesser und die Position des Radreifens. In Wanne 2 sind Scancontrol Laser-Profilsensoren zur Messung des Radprofils untergebracht. Die Sensoren messen durch halbseitige Aussparungen in den Schienen auf den Radreifen. Anhand der Profildaten werden die Wartungstermine für die Reprofilierung festgelegt.
Laseroptische Wegsensoren messen aus großem Abstand zum Messobjekt mit einem sehr kleinen Lichtfleck, der die Erfassung von kleinsten Details ermöglicht. Durch das berührungslose Prinzip sind die Messungen verschleißfrei, die Sensoren haben keinen physischen Kontakt zum Messobjekt. Darüber hinaus ist die Methode der Laser-Triangulation ideal für sehr schnelle Messungen mit hoher Genauigkeit und Auflösung. Laserscanner der Reihe Scancontrol haben eine sehr hohe Signalstabilität und liefern dadurch präzise Messergebnisse.
Die hohe Profilrate mit bis zu 10 kHz prädestiniert diese Sensoren für dynamische Messaufgaben, die hohe Profilauflösung mit bis zu 2048 Punkten/Profil für die Erfassung kleinster Details. Je nach Anwendung stehen verschiedene Messbereiche zur Verfügung. Abhängig vom Messobjekt werden Scanner mit rotem Laserlicht oder mit der patentierten Blue-Laser-Technologie eingesetzt.
Lagerspaltmessung in Achslagern mit Wirbelstromsensoren
Um Wartungen planbar zu machen und damit gleichzeitig ungeplanten Zugausfällen entgegenzuwirken, werden Achslager in Hochgeschwindigkeitszügen permanent überwacht. Der Ölfilm im Lagerspalt verhindert den direkten Kontakt von Lagerfläche und Welle. Die daraus resultierenden Gleiteigenschaften des Lagers erhöhen den Wirkungsgrad und verlängern dadurch die Lebensdauer. Zur Überwachung des Lagerspalts werden Wirbelstromwegsensoren der Baureihe Eddy-NCDT eingesetzt, die die Messwerte im laufenden Betrieb erfassen und in die Steuerung eingebunden sind. Dank der robusten Bauart sind Messungen bei hohem Öldruck sowie bei hohen Temperaturen möglich.
Induktive Wegsensoren, die auf dieser Basis arbeiten, liefern hochpräzise Ergebnisse und zeigen sich unempfindlich gegenüber Druck, Schmutz oder Öl. Dank der unterschiedlichen Messbereiche eröffnen sich vielfältige Einsatzgebiete. Die Sensoren entsprechen der Schutzart IP67 und sind damit äußerst universell in der Automatisierung sowie im Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar. Des Weiteren sind die Eddy-NCDT Wirbelstromwegsensoren temperaturkompensiert. Durch einfache Handhabung und Bedienung sowie das sehr gute Preis-Leistungs-Verhältnis sind sie insbesondere für den Serieneinsatz und OEM-Anwendungen geeignet.
Eine weitere Messaufgabe ist die Erfassung der Neigung des Wagenkastens bei Kurvenfahrten. Eingesetzt werden induktive Wegsensoren der Serie Indusensor EDS. Dabei handelt es sich um Langwegsensoren, die für den rauen industriellen Einsatz in Hydraulik- und Pneumatikzylindern sowie zur Weg- und Positionsmessung von Kolben oder Ventilen entwickelt wurden. Sie erfassen Verschiebungen, Weg, Position, Spalte, Auslenkung, Bewegung, Hub, Füllstände und Federwege. Ein druckdichtes Edelstahlgehäuse schützt den Sensor. Controller und Signalaufbereitung sind vollständig im Sensorflansch integriert. Ein Aluminiumrohr dient als Target. Dieses wird berührungslos und verschleißfrei über dem Sensorstab geführt.
Messung des Neigungswinkels
in Reisezügen
Im Hochgeschwindigkeitszug wird mithilfe eines Hydraulikzylinders beim Durchfahren der Kurven der Wagenkasten des Fahrzeuges zum Kurveninneren geneigt. Diese Neigung überwacht der Indusensor EDS. Er leitet die ermittelten Messwerte an die Steuergeräte weiter, welche sie wiederum an die nachfolgenden Wagen weitergeben, um die entstehende Seitenbeschleunigung zu kompensieren. Für Reisende bedeutet dies mehr Komfort: Die seitlichen Beschleunigungskräfte, die auf die Fahrgäste einwirken, werden deutlich reduziert.
Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Königbacher Str. 15
94496 Ortenburg
www.micro-epsilon.de
Viktor Kirchgessner
Gruppenleiter
Beratung & Vertrieb 2D/3D
Micro-Epsilon
www.micro-epsilon.de
Bild: Micro-Epsilon
Bild: Micro-EpsilonWirbelstromsensoren
Der Effekt zur Messung via Wirbelstrom beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis. Diese Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige Materialien nötig. Hierbei wird eine Spule mit Wechselstrom gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet. Befindet sich nun ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz Wirbelströme, die ein Feld bilden. Dieses Feld wirkt dem Feld der Spule entgegen, was eine Änderung der Spulenimpedanz nach sich zieht. Diese Impedanz lässt sich als Änderung der Amplitude und der Phasenlage der Sensorspule als messbare Größe am Controller abgreifen. Mehr zu den Wirbelstromsensoren erklärt Micro-Epsilon in diesem Video:
Bild: Micro-Epsilon
Bild: Micro-EpsilonLaser-Profil-Scanner
Laser-Triangulation
Das Messprinzip der Laser-Triangulation basiert auf einer einfachen geometrischen Beziehung: Eine Laserdiode emittiert einen Laserstrahl, der auf das Messobjekt gerichtet ist. Die reflektierte Strahlung wird über eine Optik auf einer CCD-/CMOS-Zeile abgebildet. Der Abstand zum Messobjekt wird über eine Dreiecksbeziehung zwischen Laserdiode, Messpunkt auf dem Objekt und Abbild auf der CCD-Zeile bestimmt. Die Messauflösung erreicht dabei den Bruchteil eines Mikrometers. Wie die Opto-NCDT Laser-Abstandssensoren funktionieren, zeigt Micro-Epsilon in diesem Video:
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