Der Näherungssensor TQ402 ist eine Kernkomponente der Näherungsmesssysteme TQ402/TQ412, EA402 und IQS900. Dieses System bildet eine vollständige, berührungslose Wegmesskette auf Basis des Wirbelstromprinzips, die speziell für die Zustandsüberwachung und den Schutz rotierender Industriemaschinen entwickelt wurde.
Der TQ402-Wandler ist für seine hohe Präzision, Zuverlässigkeit und außergewöhnliche Umweltbeständigkeit bekannt und wird häufig in kritischen Geräten wie Dampfturbinen, Gasturbinen, Hydraulikturbinen, Generatoren, Turbokompressoren und Pumpen zur Messung der relativen Wellenvibration und der axialen Position eingesetzt. Das Systemdesign entspricht den API 670-Standards und ist in Versionen erhältlich, die für den Einsatz in potenziell explosiven Atmosphären zertifiziert sind, was es zur idealen Wahl für anspruchsvolle Industrieanwendungen macht.
II. Hauptmerkmale
Hochpräzise und berührungslose Messung
Der TQ402 misst präzise kleinste Änderungen im Spalt zwischen der Sondenspitze und der Zielmetalloberfläche und wandelt sie in entsprechende elektrische Signale um. Diese berührungslose Methode vermeidet Verschleiß an rotierenden Bauteilen und eignet sich daher hervorragend für raue Betriebsbedingungen mit hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen.
Vollständige Austauschbarkeit der Systemkomponenten
Das gesamte Messsystem (einschließlich TQ402/TQ412-Sonden, EA402-Verlängerungskabel und IQS900-Signalaufbereiter) ist präzisionskalibriert, wobei alle Komponenten vollständig austauschbar sind. Benutzer können jede Komponente austauschen, ohne dass ein komplexer Abgleich oder eine Neukalibrierung vor Ort erforderlich ist, und so die angegebene Systemleistung beibehalten. Dies vereinfacht die Wartung erheblich und reduziert die Lagerhaltungskosten.
Großer Messbereich und Ausgabeoptionen
Das System bietet zwei standardmäßige lineare Messbereiche: 2 mm (0,15 bis 2,15 mm) und 4 mm (0,3 bis 4,3 mm). Der Signalaufbereiter IQS900 bietet Ausgangsoptionen für Spannung (-1,6 V bis -17,6 V) und Strom (-15,5 mA bis -20,5 mA) und erleichtert so die Integration mit verschiedenen Backend-Überwachungssystemen wie VM600 oder VibroSmart®.
Außergewöhnliche Umweltrobustheit
Temperaturbereich: Das Wandlergehäuse arbeitet zuverlässig von -40 °C bis +180 °C mit einer Drift von weniger als 5 % und übersteht kurzzeitige Belastungen bis zu +220 °C.
Schutzart: Die Sondenspitze und der integrierte Kabelteil haben die Schutzart IP68 und schützen so vor dem Eindringen von Staub und längerem Eintauchen in Wasser.
Mechanische Festigkeit: Es hält einer Spitzenvibration von 5 g (10–500 Hz) und einem Spitzenstoß von 15 g (11 ms Dauer) stand und gewährleistet so einen stabilen Betrieb in stark vibrierenden Umgebungen.
Robuste physische Konstruktion
Sondenspitze: Verfügt über eine Spule, die in einer aus Torlon® (Polyamidimid) geformten Spitze eingekapselt ist und eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit bietet.
Wandlerkörper: Hergestellt aus Edelstahl AISI 316L und mit Hochtemperatur-Epoxidharz vergossen, um allgemeine Robustheit und Haltbarkeit zu gewährleisten.
Kabel und Anschlüsse: Verwendet ein 75-Ω-Koaxialkabel mit FEP-Isolierung und einem Durchmesser von 3,6 mm. Bei den Steckverbindern handelt es sich um selbstsichernde Miniatur-Koaxialstecker, die durch handfestes Anziehen sicher einrasten und über einen Lockerungsschutzmechanismus verfügen.
Umfassende Sicherheitszertifizierungen und Konformität
Der TQ402 ist in Versionen erhältlich, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zertifiziert sind, darunter:
Ex ia Eigensicherheit (für Zone 0, 1, 2).
Ex nA Funkenfrei (für Zone 2).
Darüber hinaus entspricht das System mehreren internationalen Standards und Richtlinien wie CE, EAC und RoHS.
III. Funktionsprinzip
Der Näherungswandler TQ402 und sein System basieren auf dem physikalischen Grundprinzip des Wirbelstromeffekts. Im Folgenden wird der gesamte Prozess von der Signalerzeugung bis zur endgültigen Ausgabe detailliert beschrieben.
1. Entstehung des Wirbelstromeffekts
Das Herzstück des TQ402-Sensors ist eine präzisionsgewickelte Spule, die in die robuste Torlon®-Sondenspitze eingegossen ist. Wenn das System mit Strom versorgt wird, versorgt der zugehörige IQS900-Signalaufbereiter diese Spule mit einem hochfrequenten Wechselstrom (typischerweise 1–2 MHz). Nach den Gesetzen des Elektromagnetismus erzeugt dieser Wechselstrom ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld um die Sondenspitze.
Nähert sich die Sonde einem leitfähigen Metallziel (z. B. der Stahlwelle einer Maschine), dringt dieses elektromagnetische Wechselfeld in die Zieloberfläche ein. Das Faradaysche Induktionsgesetz schreibt vor, dass ein sich änderndes Magnetfeld im Leiter geschlossene Kreisströme, sogenannte Wirbelströme, induziert. Die Dichte und Intensität dieser Wirbelströme hängen eng mit der Entfernung zwischen Sonde und Ziel zusammen.
2. Impedanzänderung und Signalerkennung
Die induzierten Wirbelströme erzeugen selbst ein entgegengesetztes elektromagnetisches Feld (Lenzsches Gesetz), das mit dem ursprünglichen, von der Sondenspule erzeugten Feld wechselwirkt. Diese Wechselwirkung führt zu einer Änderung der effektiven Wechselstromimpedanz der Sondenspule. Konkret gilt, dass mit abnehmendem Abstand der Kopplungseffekt stärker wird, der Wirbelstromeffekt stärker wird und die Impedanz der Spule zunimmt. Umgekehrt nimmt die Impedanz mit zunehmender Entfernung ab.
Somit wird der Spaltabstand zwischen der Sonde und dem Ziel direkt in eine Änderung der elektrischen Impedanz der TQ402-Sensorspule umgewandelt. Diese Impedanzänderung enthält Informationen sowohl über die statischen (durchschnittlicher Abstand) als auch dynamischen (Vibration) Aspekte des Spalts.
3. Signalkonditionierung und Demodulation
Die Aufgabe des IQS900-Signalaufbereiters besteht darin, diese subtile Impedanzänderung zu erkennen und zu verarbeiten. Es enthält eine präzise Modulator-/Demodulatorschaltung. Der Konditionierer überwacht kontinuierlich Änderungen des der Spule zugeführten Antriebssignals, die sich aus der Impedanzschwankung ergeben.
Durch Demodulation des zurückgegebenen Hochfrequenzsignals extrahiert der IQS900 genau die Spannungs- oder Stromkomponente proportional zum Spaltabstand. Dieser Prozess filtert die hochfrequente Trägerwelle heraus, so dass nur das niederfrequente (DC bis 20 kHz) Signal im Zusammenhang mit der Entfernung übrig bleibt.
4. Linearisierung und Ausgabe
Das demodulierte Signal wird verstärkt und linearisiert und in ein standardmäßiges, leicht messbares elektrisches Ausgangssignal umgewandelt:
Spannungsausgabemodus: Gibt eine Gleichspannung proportional zur Lücke aus, mit typischen Empfindlichkeiten von 8 mV/μm (200 mV/mil) für den 2-mm-Bereich oder 4 mV/μm (100 mV/mil) für den 4-mm-Bereich. Der lineare Ausgang reicht typischerweise von -1,6 V (minimale Lücke) bis -17,6 V (maximale Lücke).
Stromausgabemodus: Gibt einen Strom proportional zur Lücke aus, mit typischen Empfindlichkeiten von 2,5 μA/μm (62,5 μA/mil) oder 1,25 μA/μm (31,2 μA/mil). Der lineare Ausgang reicht typischerweise von -15,5 mA (minimale Lücke) bis -20,5 mA (maximale Lücke).
Das System weist innerhalb seines spezifizierten Bereichs (z. B. 2 mm oder 4 mm) eine hervorragende Linearität auf und gewährleistet so eine äußerst genaue proportionale Beziehung zwischen der Ausgangsspannung/-strom und dem mechanischen Spalt.
5. Trennung von statischen und dynamischen Signalen
Das endgültige Ausgangssignal enthält sowohl DC- (Gleichstrom) als auch AC-Komponenten (Wechselstrom):
Gleichstromkomponente: Stellt die durchschnittliche Position oder den statischen Abstand zwischen der Sonde und dem Ziel dar und wird zur Überwachung sich langsam ändernder Parameter wie axialer Verschiebung oder Lagerverschleiß verwendet.
Wechselstromkomponente: Überlagert mit der Gleichstromkomponente stellt sie die dynamische Vibration des Ziels relativ zur Sonde dar. Seine Amplitude spiegelt die Schwingungsintensität wider und seine Frequenz gibt die Quelle der Schwingung an. Dadurch kann das System gleichzeitig Positions- und Vibrationsüberwachung durchführen.
6. Temperaturkompensation und Systemkalibrierung
Um die Messgenauigkeit über den gesamten Betriebstemperaturbereich (-40 °C bis +180 °C) sicherzustellen, umfasst das Systemdesign Temperaturkompensationsmechanismen, um die Auswirkungen der Temperaturdrift auf den Ausgang zu minimieren. Der Wandler wird werkseitig unter Verwendung von VCL 140-Stahl (1.7225) als Zielmaterial kalibriert, was gängigen Wellenmaterialien wie AISI 4140 entspricht. Für Anwendungen mit speziellen Materialien wird eine Rücksprache mit dem Hersteller empfohlen, um spezifische Leistungskurven zu erhalten.
IV. Systemintegrations- und Auswahlpunkte
Gesamtsystemlänge: Die Gesamtsystemlänge ist die Summe der integrierten Kabellänge des TQ402-Wandlers und der EA402-Verlängerungskabellänge. Standardsystemlängen sind 1 Meter, 5 Meter und 10 Meter, erreichbar durch flexible Kombinationen verschiedener Sonden- und Verlängerungskabellängen.
Elektrisches Trimmen: Um die Systemleistung und Austauschbarkeit sicherzustellen, erfordert die Nennlänge von Verlängerungskabeln ein „elektrisches Trimmen“. Die tatsächlich nutzbare Mindestgesamtlänge liegt geringfügig unter dem Nennwert (z. B. mindestens 4,4 m für ein 5-m-System).
Optionaler Schutz: Flexible Edelstahlschläuche mit FEP-Mantel können ausgewählt werden, um den Kabeln zusätzlichen mechanischen Schutz und chemische Beständigkeit zu bieten.
Installation: Das Wandlergehäuse bietet sowohl metrische als auch zöllige Gewindeoptionen und kann mit verschiedenen Montagehalterungen kombiniert werden, um unterschiedlichen Einbauräumen und Anforderungen gerecht zu werden.
V. Systemdiagnose und Sicherheitsintegrität (SIL)
Das TQ402-System bietet in Verbindung mit dem Signalaufbereiter IQS900 erweiterte Funktionen, die den Anforderungen moderner industrieller Sicherheit und Zuverlässigkeit gerecht werden.
Integrierte Diagnosefunktion: Der IQS900-Signalaufbereiter bietet eine optionale integrierte Selbsttest-Diagnoseschaltung (BIST). Wenn die Diagnose aktiviert ist, überwacht das System kontinuierlich den Zustand der gesamten Messkette (einschließlich Sensor, Kabel und Konditionierer selbst). Bei Erkennung von Unterbrechungen, Kurzschlüssen oder anderen Fehlern ändert es das Ausgangssignal, um das Problem deutlich anzuzeigen:
Im Spannungs-/Stromausgabemodus fällt der Ausgangswert außerhalb des normalen Bereichs von -1,6 V bis -17,6 V oder -15,5 mA bis -20,5 mA, was einen eindeutigen Fehleralarm an das Backend-Überwachungssystem liefert und eine vorausschauende Wartung ermöglicht.
Zertifizierung der funktionalen Sicherheit: Der IQS900-Signalaufbereiter mit Diagnose erfüllt SIL 2 (gemäß IEC 61508) und PL c, Kat. 1 (gemäß ISO 13849) Sicherheitsintegritätsstufen. Dies bedeutet, dass das Design des Systems den strengen Anforderungen vieler sicherheitsrelevanter Anwendungen (z. B. Maschinenschutzsysteme) gerecht wird und Benutzern den Aufbau von Produktionssystemen erleichtert, die den Sicherheitsstandards entsprechen.
VI. Mechanische Konfigurations- und Installationsoptionen
Flexible mechanische Konfiguration:
Gewindespezifikationen: Das TQ402-Wandlergehäuse bietet verschiedene Gewindeoptionen, darunter metrisches M10x1, M14x1,5, M16x1,5 und zölliges 3/8'-24UNF, 1/2'-20UNF, 5/8'-18UNF, um globalen Geräte- und Montagelochstandards gerecht zu werden.
Dimensionsanpassung: Benutzer können die Gehäuselänge (von 20 mm bis 250 mm) und die Länge ohne Gewinde (von 0 mm bis 230 mm) basierend auf den Anforderungen an die Installationstiefe festlegen, was eine hohe Installationsflexibilität bietet.
Reverse-Mount-Modell: Für Anwendungen, bei denen der Standard-TQ402 nicht passt, bietet die Serie auch das Modell TQ412. Der TQ412 wurde speziell für umgekehrte Montageanwendungen entwickelt, bei denen die Ausrichtung der Sondenspitze mit der Kabelaustrittsrichtung übereinstimmt, und eignet sich für Messungen, die von der Innenseite des Gerätegehäuses nach außen durchgeführt werden.
Anschluss- und Schutzzubehör:
Steckerschutz: Der IP172-Verbindungsschutz ist erhältlich, um den Verbindungspunkt zwischen dem Sondenkabel und dem Verlängerungskabel zu schützen und Verunreinigungen durch Öl, Feuchtigkeit und mechanische Beschädigungen zu verhindern.
Kabelschutz: Über den festen FEP-Mantel hinaus sind optional flexible Edelstahlschläuche (Schutzrohre) erhältlich. Diese können sich zur einfacheren Installation relativ zum Kabel bewegen und bieten robusten mechanischen Schutz in komplexen und rauen Verlegungswegen.
Montagehalterungen: Es sind verschiedene Sondenmontageadapter (z. B. Serie PA15x) sowie der DIN-Schienenmontageadapter MA130 für den Signalaufbereiter IQS900 erhältlich. Dies unterstützt Standard-TH-35-Schienen und ermöglicht so eine hochdichte, modulare Installation in Schaltschränken.
