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Was ist ein Wechselrichter?

Ein Wechselrichter (englisch: Inverter) ist ein Gerät, das Eingangsstrom in Wechselstrom umwandelt.

Der Eingangsstrom kann entweder Gleichstrom oder Wechselstrom sein. Im letzteren Fall wird der eingehende Wechselstrom einmal in Gleichstrom und dann wieder in einen anderen Wechselstrom mit modulierter Spannung und Frequenz umgewandelt.

Wechselrichter werden manchmal als Wechselrichtergeräte bezeichnet, um sie von den Wechselrichterschaltungen zu unterscheiden, die eine der Schaltungen sind, aus denen sie aufgebaut sind.

Verwendungszwecke von Wechselrichtern

Wechselrichter werden häufig in elektrischen Produkten eingesetzt, die mit Motoren arbeiten. Dies liegt daran, dass Wechselrichter hauptsächlich zur Steuerung der Rotation von Motoren verwendet werden.

Das bekannteste Produkt, bei dem Wechselrichter eingesetzt werden, sind Klimaanlagen. Der Wechselrichter ist in der Kompressorabteilung installiert und steuert, wie stark sich der Motor dreht. Ohne einen Wechselrichter müsste die Temperatur der Klimaanlage durch einfaches Ein- und Ausschalten des Betriebs geregelt werden.

Der Wechselrichter ermöglicht es, die Temperatur durch die Intensität des Betriebs und nicht durch das Ein- und Ausschalten des Betriebs zu steuern. Da das Ein- und Ausschalten des Geräts viel Strom verbraucht, tragen Wechselrichter zur Energieeinsparung bei. Aus diesem Grund sind die meisten der heute auf dem Markt befindlichen Klimaanlagen mit Wechselrichtern ausgestattet.

Das Prinzip der Wechselrichter

Ein Wechselrichter besteht aus drei Hauptbestandteilen: dem Umrichterkreis, dem Kondensator und dem Wechselrichterkreis. Um einen Wechselstrom in einen Wechselstrom mit einer anderen Spannungs- oder Frequenzmodulation umzuwandeln, wandelt der Wechselrichter den Eingangsstrom einmal durch den Umrichterkreis in einen Gleichstrom um.

Diese Umwandlung erfolgt durch Gleichrichtung des Stroms mit Hilfe von Dioden. Der gleichgerichtete Strom wird in einem Kondensator gespeichert und durch wiederholtes Laden und Entladen weiter geformt.

So entsteht ein Pseudo-Gleichstrom, der anschließend in eine Wechselrichterschaltung eingespeist wird. In der Wechselrichterschaltung werden durch schaltende Leistungstransistoren Pulswellen unterschiedlicher Breite erzeugt, die so genannte Pulsweitenmodulation (PWM).

Diese können kombiniert werden, um eine Pseudo-Sinuswelle zu erzeugen. Wenn eine Impulsspannung erzeugt wird, spricht man von einem Spannungswechselrichter, wenn ein Stromimpuls erzeugt wird, von einem Stromwechselrichter. Durch die Steuerung der Kombination der zu erzeugenden Impulsbreiten können die Spannung und die Frequenz frei verändert werden.

Weitere Informationen über Wechselrichter

1. Vor- und Nachteile der Steuerung von Wechselrichtern

Vorteile
Der Hauptgrund für den Einsatz von Wechselrichtern ist die Energieeinsparung. Wenn ein Wechselrichter in einer Maschine mit einem rotierenden Mechanismus installiert ist, kann die Drehzahl des Motors an die erforderliche Geschwindigkeit angepasst werden, so dass die Maschine nicht übermäßig läuft, was zu Energieeinsparungen führt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Genauigkeit der Temperaturregelung verbessert werden kann, wenn sie in Maschinen eingebaut wird, die die Temperatur von Flüssigkeiten regeln, wie z. B. Klimaanlagen und Ölkonsolen. Herkömmliche Produkte regelten die Temperatur nur durch Ein- und Ausschalten der Stromversorgung, was in der Regel viel Strom verbrauchte und zu großen Fehlern bei der eingestellten Temperatur führte. Wechselrichter haben sich bei der Lösung dieser Probleme als sehr effektiv erwiesen.

Nachteile
Zu den Nachteilen gehören die hohen Kosten und die Tatsache, dass die Kondensatoren im Wechselrichter Verbrauchsmaterial sind und regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Wenn man den Einsatz eines Wechselrichters in Erwägung zieht, ist es wichtig, die Nachteile sorgfältig abzuwägen und eine umfassende Entscheidung zu treffen.

2. Ursachen für den Ausfall von Wechselrichtern

Nach jahrelangem Gebrauch sind Wechselrichter anfällig für Überstrom- und Überspannungsauslösungen. Die wahrscheinlichste Ursache dafür ist die “Lebensdauer” der im Wechselrichter eingebauten Kondensatoren.

Die meisten Kondensatoren in Wechselrichtern sind “Elektrolytkondensatoren”. Elektrolytkondensatoren werden leicht von den Umgebungstemperaturen beeinflusst, und es heißt, dass sich die Lebensdauer des Kondensators halbiert, wenn die Temperatur um 10 °C steigt.

In vielen Fällen, z. B. bei Klimaanlagen, die während der heißen Sommermonate ununterbrochen laufen, nutzt sich der Elektrolytkondensator daher schnell ab und fällt schließlich aus. Zusätzlich zu den Überstrom- und Überspannungsauslösungen wird ein frühzeitiger Austausch des Wechselrichters empfohlen, wenn der Motor während des Betriebs vibriert oder anormale Vibrationsgeräusche erzeugt. In einigen Fällen kann eine weitere Verschlechterung dazu führen, dass der Elektrolytkondensator anschwillt oder undicht wird.

Was ist ein Aluminium-Elektrolytkondensator?

Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität, die Aluminiumoxid als Dielektrikum verwenden.

Beim nassen Typ wird ein Elektrolyt für die Kathode verwendet, aber es gibt auch trockene Typen, die Feststoffe wie leitende Polymere mit verbesserter Leistung verwenden. Aufgrund ihres niedrigen Preises und ihrer großen Vielseitigkeit werden sie in vielen Produkten mit elektronischen Leiterplatten verwendet, z. B. in Haushaltsgeräten und Personalcomputern.

Anwendungen von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren werden in einer Vielzahl von Produkten mit elektronischen Substraten in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, z. B. in der Automobil-, Haushaltsgeräte- und Industrieausrüstungsbranche, da sie kleiner sind, eine höhere Kapazität haben und preiswerter als andere Kondensatoren sind. Spezifische Anwendungen sind wie folgt:

• Automobilbereich
  Motorsteuergeräte, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme, Airbag-Steuerungen, Autoradios, Navigationssysteme
• Haushaltsgeräte
  Fernsehgeräte, Recorder, Digitalkameras, Audiogeräte, Kühlschränke, Waschmaschinen, Klimaanlagen, Mikrowellenherde, Beleuchtungsgeräte, PCs, TV-Spielkonsolen
• Industrielle Ausrüstung
  Verschiedene Produktionsausrüstungen, Stromaufbereiter für erneuerbare Energie

Beim Einsatz als Leistungsaufbereiter für regenerative Energie wird eine große Anzahl von 10 bis 100 Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet. Aufgrund ihrer hohen Vielseitigkeit steigen die Leistungsanforderungen an Aluminium-Elektrolytkondensatoren von Jahr zu Jahr.

Funktionsweise von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwenden dünne Aluminiumfolie als Anode und Kathode und Aluminiumoxid als Dielektrikum. Auf der Oberfläche der Aluminiumfolie bildet sich durch einen elektrochemischen Oxidationsprozess (chemische Umwandlung) Aluminiumoxid.

Die Oberfläche der Aluminiumfolie wird durch ein Ätzverfahren uneben gemacht, um den Oberflächenbereich zu vergrößern. Die Kapazität eines Kondensators wird durch die folgende Formel ausgedrückt, die proportional zur Oberfläche des Dielektrikums und umgekehrt proportional zu seiner Dicke ist, so dass Aluminiumoxid, das durch Ätz- und chemische Umwandlungsprozesse hergestellt wird, ein Dielektrikum mit einer extrem hohen Kapazität ist:

Kapazität C = ε x S/d　

ε: Dielektrische Permittivität des Dielektrikums

S: Oberfläche des Dielektrikums

d: Dicke des Dielektrikums

Ein Nachteil der Aluminiumoxidbeschichtung ist, dass sie aufgrund des geringen Stromflusses beim Anlegen einer Spannung mehr Leckstrom erzeugt als andere Kondensatoren. Da in der Innenkathode von nassen Aluminium-Elektrolytkondensatoren Elektrolyt verwendet wird, besteht die Gefahr, dass der Elektrolyt im Falle eines Fehlers ausläuft.

Ein weiterer Nachteil ist die geringe Haltbarkeit des Elektrolyts, die sich durch Auslaufen oder Verdampfen desselben verringern kann. Trockene Aluminium-Elektrolytkondensatoren hingegen verdampfen aufgrund der Verwendung leitfähiger Polymere in der Innenkathode nicht und sind haltbarer als nasse Kondensatoren.

Weitere Informationen zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren

1. Lebensdauer von Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Unter den elektronischen Bauteilen sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren vom nassen Typ dafür bekannt, dass sie eine besonders kurze Lebensdauer haben: Während LSIs Zehntausende von Betriebsstunden benötigen, hat ein typischer Aluminium-Elektrolytkondensator eine Lebensdauer von 2000 Stunden bei 85 °C oder 5000 Stunden bei 105 °C, selbst bei Kondensatoren, die hohe Zuverlässigkeit versprechen.

Der Grund für die kurze Lebensdauer liegt im Aufbau des Aluminium-Elektrolytkondensators, bei dem der im Isolierpapier getränkte Elektrolyt mit der Zeit aus dem abdichtenden Gummiteil austritt. Mit dem Auslaufen des Elektrolyts nimmt die Kapazität ab und der ESR (äquivalenter Serienwiderstand) steigt.

Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolytkondensators folgt dem Arrhenius-Gesetz (chemische Reaktionsformel auf der Grundlage der thermischen Energie), wenn der Kondensator unterhalb der maximalen Betriebstemperatur liegt und die Lebensdauer verdoppelt sich ungefähr, wenn die Temperatur um 10 °C niedriger ist. So hat ein Aluminium-Elektrolytkondensator mit 85 °C/2000 Stunden eine Lebensdauer von 4000 Stunden, wenn er bei 75 °C eingesetzt wird und 8000 Stunden bei 65 °C.

Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben einen höheren ESR als andere Kondensatoren und wenn während des Betriebs ein großer Strom fließt, entsteht im Inneren des Kondensators Wärme. Diese Erwärmung lässt die Temperatur des Kondensators ansteigen, was das Auslaufen des Elektrolyts weiter fördert und die Lebensdauer verkürzt.

2. Polaritätskennzeichnung auf Aluminium-Elektrolytkondensatoren

Gepolte Kondensatoren sind immer in irgendeiner Weise gekennzeichnet, so dass die Polarität leicht zu erkennen ist:

• Vertikale Elektrolytkondensatoren
  Im Allgemeinen befindet sich auf der Seite des Minuspols an der Unterseite des Gehäuses ein Strich. Außerdem ist die Anodenleitung verkürzt.
• Oberflächenmontierter Elektrolytkondensator
  Kapazität und Spannungsfestigkeit sind auf der Oberseite des Elektrolytkondensators angegeben und in einer Ecke befindet sich eine farbige Markierung. Die Elektrode unter dieser Markierung ist die negative Elektrode.
• Axial bedrahtete Kondensatoren
  Die Linie mit dem Pfeil zeigt den Anschluss der negativen Elektrode an. Der Elektrolytkondensator hat eine Vertiefung im Gehäuse, die Seite mit dieser Vertiefung ist die positive Elektrode.

Es ist äußerst wichtig, die Polaritätsangabe zu überprüfen, denn bei falscher Polarität kann der Kondensator nicht nur ausfallen, sondern auch Feuer fangen.

Was ist ein Vibrometer?

Ein Vibrometer ist ein Gerät zur Messung der Schwingungsstärke eines Messobjekts. Die Größe der Schwingung wird im Allgemeinen auf drei Skalen angegeben: Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Welcher Parameter gemessen werden soll, hängt von der Art der zu messenden Schwingung und dem zu bewertenden Objekt ab. Bei der Messung der Beschleunigung werden sie manchmal auch als Beschleunigungsmesser bezeichnet.

Anwendungen von Vibrometern

Vibrometer werden in der Forschung und Entwicklung, in Produktionsstätten und im Umweltschutz eingesetzt. Im Bereich Forschung und Entwicklung werden beispielsweise die Schwingungseigenschaften von Bauteilen während der Produktentwicklung gemessen, um Resonanzen, Schäden und anormalen Lärm zu vermeiden.

In der Produktion wird zum Beispiel die Schwingungsmessung von Motoren genutzt, um festzustellen, ob sie gut oder schlecht sind, sowie um den Versand der Produkte zu kontrollieren. Um Schäden während des Transports zu vermeiden, werden die Schwingungen während des Transports in einer Prüfmaschine reproduziert, um die Verpackung zu verbessern.

Bei Turbinengeneratoren zum Beispiel werden die Schwingungen während des Betriebs überwacht, um Fehler frühzeitig zu erkennen. Im Umweltbereich ist die Messung von Schwingungen von entscheidender Bedeutung für die Lösung von Problemen der Umweltverschmutzung, die durch Schwingungen in Fabriken und bei Bauarbeiten verursacht werden.

Die Wirkung von Schwingungen auf den menschlichen Körper wird durch die Messung des Schwingungspegels bestimmt, der ein Verhältnis zu einer Referenzbeschleunigung darstellt. Schwingungspegel sind in ISO definiert und werden auch zur Bestimmung des Fahrkomforts von Autos und Schienenfahrzeugen verwendet.

Sie werden auch zur Messung von Erdbebenschwingungen und zur Ausgabe von Warnungen sowie zur Messung der Wellenform von Erdbebenschwingungen zur Beurteilung der seismischen und schwingungsisolierten Struktur von Gebäuden verwendet.

Funktionsweise von Vibrometern

Vibrometer arbeiten mit einem so genannten Tonabnehmer. Die Aufnehmer können piezoelektrisch, elektromagnetisch, mechanisch, optisch oder elektromagnetisch sein.

1. Piezoelektrische Vibrometer

Die durch die Vibration erzeugte Kraft wird durch den piezoelektrischen Effekt des piezoelektrischen Elements in eine zu dieser Kraft proportionale Spannung umgewandelt. Es gibt zwei Typen: den Schertyp, der die Dehnung an der Oberfläche des Piezoelementes misst, und den Kompressionstyp, der eine einfache Struktur mit einem Gewicht auf dem Piezoelement hat. Sie sind kompakt, leicht und können bis zu einem hohen Frequenzbereich messen.

2. Elektromagnetische Vibrometer

Dieser Vibrometertyp besteht aus einem Magneten und einer Spule und misst die Änderungen des elektrischen Stroms, die durch die elektromagnetische Induktion verursacht werden, die durch die Vibration in Abhängigkeit von der Lagebeziehung zwischen Magnet und Spule erzeugt wird.

3. Mechanische Vibrometer

Verwendet ein MEMS-Halbleiterelement (mikroelektromechanisches System) zur Messung von Kapazitätsänderungen als Reaktion auf die Verschiebung einer variablen Elektrode.

4. Andere Vibrometer

Es gibt auch optische Vibrometer, die die Auslenkung durch Einstrahlung eines Laserstrahls messen, und elektromagnetische Vibrometer, die Mikrowellen-Dopplerlaser zur Messung der relativen Auslenkung verwenden. Diese Methoden erfordern keine Befestigung eines Aufnehmers am schwingenden Objekt und eignen sich für die Schwingungsmessung an kleinen Objekten, heißen Gegenständen und flüssigen Oberflächen.

Weitere Informationen zu Vibrometer

1. Verwendungen eines Vibrometers

Es wird empfohlen, den Aufnehmer mit Stehbolzen oder ähnlichem fest zu befestigen, so dass er in engem Kontakt mit dem nicht gemessenen Objekt steht. Wenn die Befestigungsmethode nicht fest ist, kann der Aufnehmer filtern und eine genaue Messung verhindern.

Andere Befestigungsmethoden als Stehbolzen sind die Verwendung von Klebstoffen oder Magneten. Die Frequenzanalyse wird häufig bei der Analyse von Schwingungen eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Methode, mit der festgestellt werden kann, welche Frequenzen die gemessene Wellenform enthält und mit welcher Intensität jede Frequenz vorhanden ist.

2. Einheiten von Schwingungen

Maschinenschwingungen werden als eine zeitliche Änderung der Größe einer Größe, die die Bewegung oder Verschiebung eines mechanischen Systems darstellt, die zwischen Zuständen größer und kleiner als ein bestimmter Durchschnitts- oder Referenzwert wechselt, definiert. Schwingungen bestehen aus drei Elementen: Amplitude, Frequenz und Phase. Bei der Messung von Schwingungen werden Vibrometer für die drei Größen Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung eingesetzt.

Die praktischen Einheiten für Schwingungen sind:

• Auslenkung: cm, μm (=10-6 m), nm (=10-9 m)
• Geschwindigkeit: cm/s, mm/s
• Beschleunigung: cm/s2, Gal (Gal = cm/s2), G (Gee = 9,80665 m/s2)

Bei Vibrometern zur Messung von Umweltschwingungen wird die Größe der Umweltschwingung durch den Schwingungspegel (dB) bewertet, der ein Messwert ist, der auf den schwingungssensorischen Eigenschaften des menschlichen Körpers beruht. Dies ist das gleiche Konzept wie bei Geräuschpegeln, bei denen der Messwert, der sich nach Korrektur der physikalischen Schwingungsgröße durch die sensorischen Eigenschaften des menschlichen Körpers ergibt, als Bewertungsziel verwendet wird.

• Schwingungspegel L = 20log(V/ V0) [dB]
• V0: Bezugsschwingungsbeschleunigung
• V: RMS-Wert der Schwingungsbeschleunigung (r.m.s.)

V0 wird als 10-6 m/s2 verwendet.

Was ist ein Linearmotor?

Ein Linearmotor (englisch: linear motor) ist ein Elektromotor, der sich in einer linearen Bewegung bewegt.

Während gewöhnliche Motoren eine Drehbewegung erzeugen, erzeugen Linearmotoren eine lineare Bewegung. Es handelt sich um Antriebseinheiten, die die Anziehung und Abstoßung von Magneten oder die Lorentzkraft zur Erzeugung von Vortrieb nutzen.

Während der Antrieb in linearer Richtung mit einem herkömmlichen Motor eine Kombination verschiedener Komponenten erfordert, ermöglichen Linearmotoren eine lineare Bewegung, ohne dass komplizierte Mechanismen erforderlich sind.

Anwendungen von Linearmotoren

Zu den bekanntesten Anwendungen von Linearmotoren gehören Lineartriebwagen wie der lineare Hochgeschwindigkeitszug. Bei linearen Hochgeschwindigkeitszügen beispielsweise schwebt der Wagenkasten aufgrund der Abstoßung durch Magnete auf den Schienen, sodass nur ein sehr geringer Verlust an Antriebskraft durch Reibungskräfte entsteht. Daher können sie mit hohen Geschwindigkeiten fahren.

Die Fahrzeuge der Toei Oedo-Linie der Tokioter U-Bahn und der Kaigan-Linie der städtischen U-Bahn von Kobe schweben nicht, sondern werden von Linearmotoren angetrieben. In den letzten Jahren werden Linearmotoren zunehmend in Antriebseinheiten von Industrieanlagen eingesetzt.

Sie werden häufig in Werkzeugmaschinen, Halbleiterfertigungsanlagen, Raumfahrzeugen, Beschleunigern und Linearmotorpistolen eingesetzt, bei denen es auf Präzision ankommt. Bei Konsumgütern werden sie beispielsweise für elektrische Vorhänge in Autos, Rasiermaschinen, den Autofokus von Kameras und drehbare Sushi-Restaurants verwendet.

Funktionsweise von Linearmotoren

Linearmotoren werden durch die Anziehungs- und Abstoßungskraft oder Lorentzkraft von Magneten angetrieben. Der Aufbau eines Linearmotors ähnelt dem eines konventionellen Motors, der aufgeschnitten wurde, um eine lineare Bewegung zu erzeugen.

Je nach Funktionsprinzip gibt es zahlreiche Typen, darunter Linear-Induktionsmotoren, Linear-Synchronmotoren, Linear-Gleichstrommotoren und Linear-Schrittmotoren.

1. Lineare Induktionsmotoren

Dieses System nutzt das gleiche Prinzip wie Induktionsmotoren, d. h. die Lorentzkraft aufgrund elektromagnetischer Induktion als Antriebskraft. Ein Elektromagnet wird auf einen Magneten mit NS-SN-Polen gesetzt und durch einen elektrischen Strom angetrieben. Diese Methode wird häufig bei Linearmotoren für industrielle Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Präzision erforderlich ist.

2. Linearmotoren mit Synchronantrieb

Dieses System nutzt das gleiche Prinzip wie die Synchronmotoren, d.h. die Anziehung und Abstoßung zwischen den Magnetpolen. Die Pole der linear ausgerichteten, feststehenden Magneten werden entsprechend der Bewegung der beweglichen Elektromagneten umgeschaltet, wodurch die Antriebskraft für die lineare Bewegung entsteht.

Linearsynchronmotoren zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad als andere Methoden aus. Die meisten Linearmotoren in Autos sind Synchronmotoren, um den Stromverbrauch zu senken. Es ist zu beachten, dass bei Linearmotoren mit Magnetschwebetechnik supraleitende Magnete in den Elektromagneten auf der Karosserieseite verwendet werden, um die Stromzufuhr zu minimieren.

3. Andere Methoden

Gleichstrom-Linearmotoren werden für Aktuatoren und andere Anwendungen eingesetzt. Zu den Anwendungen für lineare Schrittmotoren gehört die Präzisionssteuerung optischer Geräte wie die Autofokussierung von Kameras. Piezoelektrische Linearmotoren, die durch piezoelektrische Elemente angetrieben werden, sind weniger effizient, können aber mit hoher Präzision gesteuert werden und werden für Präzisionsmaschinen usw. verwendet.

Weitere Informationen zu Linearmotoren

1. Geschwindigkeit und Präzision von Linearmotoren

Die Vorteile höherer Geschwindigkeiten sind bei linearen Hochgeschwindigkeitsanwendungen von Bedeutung, sowie die Entwicklung von Leistungsaspekten und Steuerungstechnik für Linearmotoren steht kurz vor der praktischen Anwendung. Zu den Vorteilen von Linearmotoren gehört die Tatsache, dass sie keinen Untersetzungsmechanismus benötigen und mit hoher Präzision verfahren können, dass sie in langen Achsen eingesetzt werden können und dass mehrere Motoren für den gleichzeitigen Betrieb angeordnet werden können.

Zu den Nachteilen gehören die Schwierigkeit, die Auswirkungen von Störungen zu kontrollieren, die Schwierigkeit, eine hohe Schubkraft zu erzielen, und die Schwierigkeiten bei der Inspektion und Wartung, aber es werden Jahr für Jahr Verbesserungen erzielt. Unter diesen Umständen gewinnt neben höheren Geschwindigkeiten auch eine höhere Präzision an Bedeutung, die in Werkzeugmaschinen wie Schleif- und Drehmaschinen eingesetzt wird. Darüber hinaus sind Linearmotoren auch unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes eine Zukunftsperspektive, z. B. durch ihren Einsatz in großen hydraulischen Maschinen.

2. Kühlung von supraleitenden Linearmotoren

Das am weitesten verbreitete Beispiel für den Antrieb von Linearmotoren mit Magnetschwebetechnik ist die Verwendung supraleitender Magnete: Durch Ausnutzung des Phänomens der Supraleitung, bei der der elektrische Widerstand bei niedrigen Temperaturen von 4 K (-269 °C) zu Null wird, kann ein starkes Magnetfeld ohne Verlust an elektrischer Energie erzeugt werden.

Um einen konstanten Zustand der Supraleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, muss ein Kühlmechanismus installiert werden, der üblicherweise flüssiges Helium zur Kühlung verwendet. Nachteilig sind der Preis und der große apparative Aufwand. In den letzten Jahren ist es möglich geworden, supraleitende Magnete direkt zu kühlen, ohne flüssiges Helium zu verwenden, indem man die Materialien für die Spulen, aus denen der Magnet besteht, verändert.

Das verwendete Material ist ein Kupferoxid auf Wismutbasis, das auf 20 K (-253 °C) gekühlt werden kann, eine höhere Temperatur, bei der die Supraleitung erreicht wird, als es bisher möglich war. Diese Magnete werden als hochtemperatursupraleitende Magnete bezeichnet. Die für die Kühlung von supraleitenden Hochtemperaturmagneten verwendeten Geräte nutzen die adiabatische Ausdehnung, um das Material direkt zu kühlen, wodurch sie leicht und kompakt sind.

Was ist ein Beschleunigungssensor?

Beschleunigungssensoren sind Sensoren zur Messung der Beschleunigung.

Die Beschleunigung ist die Zunahme der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit und ist in der Physik ein wichtiger Parameter, der eine Kraft auf ein Objekt ausüben kann.

Beschleunigungssensoren lassen sich grob in kapazitive, piezoelektrische (piezoresistive) und thermische Messverfahren einteilen. Die Sensoren der einzelnen Verfahren unterscheiden sich in der Beschleunigung, die sie erfassen können. Kapazitive Methoden können die Schwerkraftbeschleunigung erfassen, piezoelektrische (piezoresistive) Methoden hingegen nicht.

Anwendungen von Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren werden sowohl zur einfachen Messung der Beschleunigung als auch zur Messung anderer Parameter über die Beschleunigung eingesetzt. Zu ersteren gehören Sensoren in Smartphones und tragbaren Spielkonsolen, Sensoren zur Erkennung von Erschütterungen, um die Airbags in Autos zu aktivieren, und andere Sensoren wie Seismometer.

Zu den letzteren gehören Neigungsmesser und Schrittzähler, die Beschleunigungssensoren nach der Kapazitätsmethode verwenden, die in der Lage sind, die Gravitationsbeschleunigung zu erfassen.

Funktionsweise von Beschleunigungssensoren

Beschleunigungssensoren lassen sich grob in die kapazitive Methode, die piezoelektrische (piezoresistive) Methode und die thermische Methode einteilen. Die Grundfunktionsweise jeder Methode ist dasselbe. Der Sensor ist in einen festen und einen flexiblen Teil unterteilt. Wenn eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor einwirkt, verformt sich der flexible Teil.

Die Differenz zwischen dem festen Teil und dem verformten flexiblen Teil wird von dem Element erfasst, das dann die Beschleunigung misst. Bei der kapazitiven Methode befinden sich im festen und im flexiblen Teil jeweils eine Elektrode. Die Konfiguration des Sensors ist eine kammartige Anordnung von abwechselnd festen und flexiblen Teilen mit Elektroden.

Die Kapazität zwischen den Elektroden des festen Teils und des flexiblen Teils ändert sich, wenn eine Beschleunigung einwirkt, so dass die Beschleunigung anhand des Betrags der Änderung bestimmt werden kann.

Piezoelektrische (piezoresistive) Verfahren verwenden ein piezoelektrisches Element zur Messung der Beschleunigung. Das piezoelektrische Element wird durch die Beschleunigung verformt und erzeugt einen elektrischen Strom. Der erzeugte Strom wird als Beschleunigung gemessen.

Weitere Informationen zu Beschleunigungssensoren

1. Unterschiede zwischen Beschleunigungssensoren und Kreiselsensoren

Ein Sensor mit ähnlicher Leistung wie Beschleunigungssensoren ist der Kreiselsensor. In diesem Abschnitt werden die Unterschiede zwischen Beschleunigungssensoren und Kreiselsensoren erläutert.

Wie der Name schon sagt, sind Beschleunigungssensoren Sensoren, die zur Messung der Beschleunigung verwendet werden. Kreiselsensoren hingegen sind für die Messung der Winkelgeschwindigkeit ausgelegt, was bedeutet, dass die physikalischen Größen, die sie erfassen, unterschiedlich sind.

Gyrosensoren nutzen die Corioliskraft, um die Richtung und Ausrichtung eines Objekts zu erfassen, die dann als elektrisches Signal ausgegeben wird. Sie werden beispielsweise verwendet, um die Neigung eines Objekts zu messen, und sind in einer Vielzahl von elektronischen Geräten wie Navigationssystemen für Autos, Digitalkameras mit Bildstabilisierung, Smartphones und Spielkonsolen eingebaut.

Beschleunigungssensoren und Kreiselsensoren können auch kombiniert werden, um die Bewegung eines Objekts genauer zu messen. Die kombinierte Sensortechnologie wird zum Beispiel in Navigationssystemen für Autos, einem der beliebtesten Produkte im Fahrzeug, eingesetzt, indem beide Sensoren miteinander kombiniert werden.

So kann der Gyrosensor die Richtung des Fahrzeugs und der Beschleunigungssensor die zurückgelegte Strecke bestimmen, so dass der aktuelle Standort auch an Orten mit schwierigem Signalempfang, wie z. B. in Tunneln, genau angezeigt werden kann.

2. Verwendung des Beschleunigungssensors

Um die gewünschte Anwendung mit Beschleunigungssensoren realisieren zu können, muss der benötigte Messbereich bzw. die Frequenzbandbreite im Vorfeld bestätigt werden. Soll beispielsweise ein Beschleunigungssensor an einem Controller für einen Spielautomaten angebracht werden, muss er einen Messbereich haben, der über den gewünschten Bereich hinausgeht, vorausgesetzt, der Benutzer schüttelt den Controller, um ihn zu bedienen.

Ist der geeignete Beschleunigungssensor für das Messziel gefunden, wird der Sensor tatsächlich verkabelt und das Messprogramm erstellt. An diesem Punkt ist die Parametereinstellung wichtig. In den Parametereinstellungen können Sie die Empfindlichkeit des Sensors, den 0g-Ausgangspegel (wenn die Gravitationsbeschleunigung 0 ist) usw. ändern. Wenn diese Einstellungen nicht angemessen sind, wird es schwierig sein, die gewünschte Anwendung zu realisieren.

Was ist eine Teilezuführung?

Eine Teilezuführung (englisch: parts feeder) ist ein Gerät, das automatisch Teile in einer Produktionslinie zuführen kann.

Sie wird auch als automatischer Teilezuführer bezeichnet. Sie werden in Verbindung mit automatisierten Systemen wie Montagemaschinen, Verpackungsmaschinen, kooperativen Robotern und Prüfmaschinen eingesetzt.

In der Regel werden die Teile vibriert, so dass jedes Teil in einer unterschiedlichen Ausrichtung ausgerichtet und in der gleichen Ausrichtung zugeführt werden kann. So können verschiedene Prozesse wie Montage, Verpackung und Umhüllung effizient durchgeführt werden.

In Kombination mit Bildverarbeitungsgeräten oder künstlicher Intelligenz können die Teile gleichzeitig geprüft oder mit Geräten des nächsten Prozesses kombiniert werden, um die Genauigkeit des Vorgangs zu verbessern und die Personal- und Installationskosten zu senken.

Anwendungen von Teilezuführungen

Teilezuführungen werden eingeführt, um die Effizienz der Anlagenproduktion zu verbessern. Sie werden bei der Herstellung von mechanischen und elektronischen Bauteilen sowie von Arzneimitteln und Lebensmitteln eingesetzt. Teilezuführungen werden nicht nur zur Steigerung der betrieblichen Effizienz durch Automatisierung der Teilezuführung eingesetzt, sondern auch in Kombination mit Bildverarbeitungsanlagen und künstlicher Intelligenz.

Ziel ist es, Teile automatisch zuzuführen und gleichzeitig zu prüfen, um so die Betriebsgenauigkeit und die Produktqualität zu verbessern. Einige Teilezuführungen liefern mehrere Teile zusammen, z. B. werden Unterlegscheiben und Schrauben zusammen zugeführt, während andere die Teile zerlegen und zusammengesetzt zuführen.

Funktionsweise der Teilezuführungen

Teilezuführungen richten Teile aus, indem sie sie in Schwingungen versetzen. Der Teil, der die Teile in Schwingung versetzt, wird als Vibrationselement oder Oszillator bezeichnet und ist das Herzstück der Teilezuführungen. Die Vibrationsmethode ist mit Hilfe eines Elektromagneten hauptsächlich elektromagnetisch und die erzeugten Vibrationen werden durch eine Tellerfeder verstärkt, um noch stärkere Vibrationen zu erzeugen.

Andere Methoden sind die piezoelektrische Methode, bei der piezoelektrische Elemente verwendet werden. Die zugeführten Teile werden zunächst in eine Schale gelegt, die ein Behälter für die Teile ist, und dann wird die Schale durch ein Vibrationselement in Schwingungen versetzt, um die Teile auszurichten. Die ausgerichteten Teile werden in eine Rutsche geleitet und der Maschine für den nächsten Prozess zugeführt.

Die Teile in der Schüssel werden von einer Vorrichtung, dem so genannten Trichter, überwacht. Der Trichter erkennt die Anzahl der Teile in der Schale und steuert die Zuführung. Es gibt verschiedene Arten von Trichtern, z. B. elektromagnetische Trichter, Förderbänder und Zylindertrichter. Trichter verhindern eine Über- oder Unterfüllung des Fördertopfes und stabilisieren die Teilezuführungen des Teileförderers.

Die Teilezuführungen sind so konzipiert, dass sie mit einer Vielzahl von Sensoren und optionalen Teilen ausgestattet werden können, so dass sie für unterschiedliche Zwecke angepasst werden können.

Auswahl von Teilezuführungen

In der Trommelsektion des Teilezuführers werden verschiedene Antriebsmuster verwendet und je nach Teil muss der entsprechende Teilezuführer eingesetzt werden.

Der gebräuchlichste Typ von Teilezuführungen ist die elektromagnetische Teilezuführung, aber es gibt auch verschiedene andere Typen, wie z. B. motorische, piezoelektrische und Verbund-Drehscheiben-Typen. Jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, so dass es sehr wichtig ist, die am besten geeignete Teilezuführung auszuwählen, nachdem man sich über die Einsatzbedingungen und Kosten im Klaren ist.

Arten von Teilezuführungen

Es gibt verschiedene Arten von Teilezuführungen, wie z. B. elektromagnetische, motorische, piezoelektrische (Piezo) und Verbund-Drehscheiben-Zuführungen, von denen jede ihre eigenen Merkmale hat.

1. Elektromagnetische Teilezuführungen

Elektromagnetische Teilezuführungen gibt es als Hohlwellen-, Vollwellen-, Hochfrequenz-Teilezuführungen und Dual Motion.

• Hohlwellensysteme: Mit einer Schwingungsfrequenz von 3000 bis 3600 Schwingungen pro Minute haben diese Systeme eine große Amplitude und eine hohe Förderleistung, sind einfach zu handhaben, werden häufig für leicht zu sortierende Teile verwendet und sind kostengünstiger als Vollwellensysteme.
• Vollwellensysteme: Mit einer Frequenz von 6000 bis 7200 Schwingungen pro Minute haben diese Systeme eine feine Schwingungsfrequenz und sind daher für kleine oder schwer zu sortierende Teile geeignet.
• Hochfrequenz-Teilezuführungen: erzeugen mit Hilfe einer Invertersteuerung eine feine Vibrationsfrequenz von 250 Hz bis 350 Hz. Geeignet für kleinste Werkstücke.
• Dual Motion: Die Dual Motion erzeugt eine elliptische Bewegung durch die Einrichtung von zwei Vibrationssystemen, einem horizontalen und einem vertikalen. Die vertikalen und horizontalen Vibrationen werden separat gesteuert, um einen schnellen Vorschub und eine gleichmäßige Förderung zu gewährleisten. Auch die Vibrationsrichtung kann zwischen vertikal und horizontal gewählt werden.

2. Motorisierte Teilezuführungen

Diese Teilezuführungen werden nur in der horizontalen Bewegung durch einen Motor angetrieben und zeichnen sich durch einen niedrigen Geräuschpegel aus.

3. Piezoelektrische Teilezuführungen

Piezoelektrische Teilzuführungen werden durch piezoelektrische Elemente angetrieben. Diese Teilezuführungen benötigen keine Schwingungsanpassung und sollen Energie sparen.

4. Kombinierte Teilezuführungen mit Drehscheibe

Dieser Teileförderer arbeitet nicht mit Vibrationen, sondern verwendet eine rotierende Scheibe, um die Teile sanft zu drehen und sie so ausgerichtet zuzuführen. Geringe Vibrationen, geringe Geräuschentwicklung und hohe Fördergeschwindigkeiten sind möglich.

Was ist ein Dehnungsmessstreifen?

Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die die Dehnung eines Objekts messen. Sie werden auch in Druckmessgeräten und Kraftmessgeräten verwendet, da sie Dehnungen messen und Druck und Belastung berechnen können.

Anwendungen von Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen werden zur Messung der Dehnung in Produkten verwendet, bei denen sich die Dehnung direkt auf die Festigkeit auswirkt, zur Messung von Lasten in Produktionsanlagen und zur Messung des Verformungsgrads von Formen und anderen Bauteilen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Dehnungskäfige in der richtigen Ausrichtung montiert werden, da sonst Messfehler auftreten.

Konkrete Beispiele für die Verwendung sind:

• Messung der Festigkeit und Dehnung von Leiterplatten
• Überwachung und Messung der Belastung von Druckmaschinen

Funktionsweise und Arten von Dehnungsmessstreifen

Im Folgenden werden die Grundsätze und Arten von Dehnungsmessstreifen erläutert.

1. Funktionsweise der Dehnungsmessstreifen

Dehnungsmessstreifen werden verwendet, indem sie an dem zu messenden Objekt befestigt werden, das dann mit dem Objekt belastet wird, wobei sich der innere elektrische Widerstand ändert. Die Dehnung wird durch Messung des Betrags, um den sich der Strom ändert, berechnet.

2. Arten von Dehnungsmessstreifen

Es gibt eine große Vielfalt von Dehnungsmessstreifen. Am weitesten verbreitet sind Dehnungsmessstreifen aus Folie, Dehnungsmessstreifen aus Draht und Halbleiter-Dehnungsmessstreifen.

Weitere Merkmale von Dehnungsmessstreifen sind solche, die für niedrige und hohe Temperaturen geeignet sind, solche, die feinere Dehnungen messen können, sowie solche, die aus Materialien bestehen, die für die verschiedenen zu messenden Werkstoffe geeignet sind.

Aufbau von Dehnungsmessstreifen

Die Strukturen von Dehnungsmessstreifen und Halbleiter-Dehnungsmessstreifen werden im Folgenden beschrieben

1. Dehnungsmessstreifen aus Folie

Der Aufbau des Folien-Dehnungsmessstreifens, der am weitesten verbreiteten Art von Dehnungsmessstreifen, besteht aus einer Metallfolie, die zickzackförmig auf einer Isolatorunterlage angebracht ist, wobei zwei Drähte aus der Metallfolie herausragen. Diese beiden Drähte sind mit einer Schaltung namens Hoinston-Brückenschaltung verbunden.

Die Hoinston-Brückenschaltung ist eine Schaltung, in der drei Widerstände mit bekanntem Widerstand und vier Dehnungsmessstreifen in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, und der Widerstand der Dehnungsmessstreifen kann durch Messung der Potenzialdifferenz zwischen den Mittelpunkten der Widerstände gemessen werden.

Wenn das Messobjekt, an dem die Dehnungsmessstreifen angebracht sind, verformt wird, dehnt sich die Folie der angebrachten Dehnungsmessstreifen aus oder zieht sich zusammen. Der Wert des elektrischen Widerstands ändert sich, und der Betrag der Widerstandsänderung wird aus der Potenzialdifferenz in der Hoinston-Brückenschaltung bestimmt. Der Dehnungsmessstreifen hat einen Dehnungsmessstreifen-Faktor, der ein innerer Wert der Widerstandsänderung bei Dehnung ist, sodass es möglich ist, die Dehnung des zu messenden Objekts aus dem Dehnungsmessstreifen-Faktor und dem Betrag der Widerstandsänderung zu berechnen.

2. Dehnungsmessstreifen für Halbleiter

Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sind Dehnungsmessstreifen, die einen Halbleiter im Folienteil eines Folien-Dehnungsmessstreifens verwenden und sich die Eigenschaft zunutze machen, dass sich der elektrische Widerstand des Halbleiters ändert, wenn Spannung auf den Halbleiter einwirkt.

Weitere Informationen über Dehnungsmessstreifen

1. Wie werden Dehnungsmessstreifen eingesetzt?

Die Genauigkeit der Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen hängt stark von der Art und Weise ab, wie die Dehnungsmessstreifen angebracht werden (in vielen Fällen durch Kleben). Daher ist bei der Anbringung von Dehnungsmessstreifen auf dem Messobjekt besondere Sorgfalt geboten. Der erste Schritt besteht darin, die Oberfläche des Messobjekts, an dem der DMS angebracht werden soll, zu reinigen.

Um das Öl gründlich zu entfernen, eignet sich ein Reinigungsmittel auf Ölbasis oder ähnliches. Geschieht dies nicht, dringt das Öl tiefer in das Material ein, wenn die Oberfläche während der Anwendung geschliffen oder poliert wird. Nach der Reinigung heben Sie das Messgerät mit einer Pinzette an und kleben es vorsichtig auf die zu messende Oberfläche.

Dabei ist darauf zu achten, dass alle Luftblasen zwischen der Oberfläche und dem Messgerät aus dem Kleber gedrückt werden. In diesem Zustand warten Sie einige Minuten, bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Nach Ablauf dieser Zeit wird die gesamte Oberfläche mit Isolierband umwickelt, um sie vor Beschädigungen zu schützen, und die Anwendung ist abgeschlossen.

2. Nachteile von Dehnungsmessstreifen und deren Behebung

Der Vorteil von Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass sie durch einfaches Aufkleben auf das zu messende Objekt leicht zur Dehnungsmessung verwendet werden können. Ein Beispiel ist das Problem der Spannung.

Die Dehnung variiert aufgrund der Wechselwirkung zwischen von außen einwirkenden Kräften und inneren Spannungen im Material. Die Analyse von Dehnungen in zwei oder drei Richtungen erfordert daher den Einsatz von Dehnungsmessstreifen, die eine Kombination aus mehreren Dehnungsmessstreifen darstellen.

Darüber hinaus kann je nach Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem das Messobjekt besteht, eine Dehnung festgestellt werden, auch wenn tatsächlich keine Dehnung vorliegt. Um dies zu verhindern, muss das Material des Dehnungsmessstreifens an das zu messende Material angepasst werden.

Die Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen setzt eine gute Kenntnis dieser physikalischen oder mechanischen Eigenschaften voraus. Unter den zahlreichen verfügbaren Typen muss der am besten geeignete ausgewählt werden.

3. Dehnungsmessstreifen und Temperaturkompensation

Die wichtigsten Faktoren, die auf Dehnungsmessstreifen einwirken, die auf das Messobjekt aufgeklebt sind, sind die durch äußere Kräfte verursachte Dehnung und der Einfluss von Temperaturänderungen. Bei Temperaturänderungen werden die Dehnungsmessstreifen durch den Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Messobjekt und den Dehnungsmessstreifen sowie durch die temperaturbedingte Änderung des Widerstands der Dehnungsmessstreifen beeinflusst.

Die Messung der Dehnung, als ob sie durch eine Temperaturänderung verursacht würde, wird als scheinbare Dehnung bezeichnet. Die Verwendung selbsttemperaturkompensierender Dehnungsmessstreifen ist die wirksamste Gegenmaßnahme gegen scheinbare Dehnungen. Selbsttemperaturkompensierende Dehnungsmessstreifen sind Dehnungsmessstreifen, bei denen der Widerstandstemperaturkoeffizient des Dehnungsmessstreifens an das Messobjekt angepasst und die temperaturbedingte Scheindehnung minimiert wird.

Die Auswahl des richtigen Dehnungsmessstreifens für das Messobjekt ist die beste Wahl, aber es können Fehler bleiben. In einigen Fällen haben sie nichtlineare Eigenschaften. In den meisten Fällen ist dieser Fehler auf dem Datenblatt des Dehnungsmessstreifens angegeben, und wenn genauere Messungen erforderlich sind, können Kompensationsberechnungen durchgeführt werden, um den aus dem Datenblatt errechneten Fehler zu berücksichtigen.

4. Dehnungsmessstreifen und Kriechkompensation

Kriechen ist ein Phänomen, bei dem die Dehnung mit der Zeit zunimmt, wenn eine konstante Last unter bestimmten Temperaturbedingungen aufgebracht wird. Kriechen ist der natürliche Feind von Dehnungsmessstreifen, und wenn es auftritt, kann es direkt zu Messfehlern führen.

Kriechphänomene bei Dehnungsmessstreifen werden fast immer durch das Grundmaterial, die Gitterform und den Klebstoff verursacht. Daher besteht eine gängige Methode darin, die Auswirkungen der Kriechphänomene gegenseitig aufzuheben, indem ein Dehnungsgenerator in der entgegengesetzten Phase des durch diese Faktoren verursachten Kriechens als das Materialkriechen verwendet und der Dehnungsmessstreifen daran befestigt wird.

Wichtig ist die Kombination der Werkstoffe. Wenn die Kriechphänomene in entgegengesetzter Phase sind, aber ihre absoluten Werte sehr unterschiedlich sind, können sie nicht aufgehoben werden und die Wirkung wird in eine Richtung spürbar sein. Es ist zu beachten, dass die Kriecherscheinungen je nach Werkstoff in den meisten Fällen bei höheren Temperaturen stärker ausgeprägt sind. Je höher die auf den Dehnungsmessstreifen ausgeübte Spannung ist, desto kürzer ist die Zeit bis zum Bruch (Lebensdauer), wenn man die Zunahme der Dehnung aufgrund des Kriechphänomens berücksichtigt.

Was ist ein Tachometer?

Ein Tachometer (englisch: revolution indicator, tachometer) ist ein Messgerät, das die Anzahl der Umdrehungen oder die Drehgeschwindigkeit eines Objekts in Rotationsbewegung misst. Ursprünglich wurde die Drehzahl als Winkelgeschwindigkeit ausgedrückt, in der Industrie wird sie jedoch häufig als Anzahl der Umdrehungen in einer bestimmten Zeitspanne, z. B. Umdrehungen pro Minute (U/min), angegeben. Daher werden Instrumente, die die Drehzahl messen, im Allgemeinen als Tachometer bezeichnet.

Die zwei Arten von Tachometern sind solche, die durch Kontakt mit einem rotierenden Objekt messen, und solche, die ohne Kontakt messen. Beim berührenden Typ wird das Schütz direkt gegen das rotierende Objekt gedrückt, was eine schnelle Messung ermöglicht. Der berührungslose Typ misst durch das Anbringen einer reflektierenden Markierung auf dem rotierenden Objekt oder durch das Anbringen von Sensoren. Auch schnell drehende Objekte und heiße Objekte können gemessen werden.

Tachometer werden hauptsächlich für die Wartung von rotierenden Geräten und zur Messung der Drehzahl von Motoren, Elektromotoren, Generatoren, Turbinen usw. verwendet.

Anwendungen von Tachometern

Tachometer werden zur Messung der Drehzahl oder Geschwindigkeit von rotierenden Objekten durch berührende oder berührungslose Methoden verwendet. Beispiele sind Motoren und andere Verbrennungsmotoren, Motoren, Turbinengeneratoren, Kühlaggregate und eine Vielzahl anderer industrieller Produkte. Ein bekanntes Beispiel ist die Anzeige der Motordrehzahl auf dem Armaturenbrett eines Autos.

Funktionsweise von Tachometern

Tachometer lassen sich grob in mechanische und elektronische Typen unterteilen. Mechanische Tachometer sind seit der Antike in Gebrauch und kombinieren ein Dezimalgetriebe zum Zählen der Umdrehungen mit einem Zeitmessungsmechanismus, der das Gerät über einen bestimmten Zeitraum betreibt. Gemessen wird die Anzahl der in einer bestimmten Zeit zurückgelegten Umdrehungen.

Kontakttachometer bestehen hauptsächlich aus einem Dauermagneten, einer Messspule und einem Magnetkreis. Die Spule erfasst eine induzierte Spannung, die proportional zu der durch die Drehung verursachten Änderung des magnetischen Flusses ist. Diese Spannung wird umgewandelt und als Ausgangssignal für die Drehung verwendet. Instrumente, die den Momentanwert der Rotationsgeschwindigkeit, d. h. die Winkelgeschwindigkeit, kontinuierlich messen und anzeigen, wandeln die Winkelgeschwindigkeit in andere leicht zu handhabende physikalische Größen um, die ihr proportional sind, wie z. B. die Zentrifugalkraft, die viskose Kraft der Flüssigkeit oder die elektromotorische Kraft aufgrund elektromagnetischer Induktion.

Berührungslose Tachometer gibt es nach verschiedenen Methoden. Bei der Reflexionsmethode wird das von einem Reflexionsband auf dem rotierenden Körper reflektierte Licht gezählt, während bei der Magnetkraftmethode Änderungen des Magnetfelds von einem Magneten auf dem rotierenden Körper erfasst werden. Und die Sensormethode zählt Signale von einem Sensor, der an dem rotierenden Element angebracht ist. Es gibt verschiedene Arten von Sensoren, darunter optische, magnetische und elektromagnetische Induktionssensoren.

Arten von Tachometern und Messverfahren

Bei Tachometern unterscheidet man zwischen Kontakt-, berührungslosen, Dual-Use- und Sensortypen.

1. Kontakt-Tachometer

Kontakt-Tachometer werden verwendet, indem sie gegen die Mitte einer rotierenden Welle drücken. Sie verwenden Zahnräder, um die Anzahl der Umdrehungen zu zählen, die in einer bestimmten Zeit gemacht werden. Das Drücken des Druckknopfes dauert in der Regel 3 Sekunden und die Anzahl der Umdrehungen wird in U/min angezeigt. Es gibt verschiedene Arten von elektronischen Typen. Die Drehzahl kann direkt abgelesen werden, indem der Hand-Tachometer gegen den Mittelpunkt der rotierenden Welle gedrückt wird.

Zur Messung der Umfangsgeschwindigkeit kann ein Drehzahlring am Tachometer angebracht und gegen die Umfangsfläche der rotierenden Welle gedrückt werden. Die Verwendung von Kontakttachometern zur Messung schnell drehender Geräte ist gefährlich. Sicherer ist es, sie für niedrige Drehzahlen zu verwenden.

2. Berührungslose Tachometer

Berührungslose Tachometer gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter Reflexionsmarken-, Magnet- und Sensortachometer. Es gibt analoge und digitale Anzeigesysteme. In der Regel sind sowohl analoge als auch digitale Ausgänge vorhanden. Bei beiden Systemen wird das erfasste Rotationssignal verstärkt und in eine Gleichspannung umgewandelt, die als Rotationsausgangssignal verwendet wird.

Bei der Reflexionsmarkenmethode wird ein Reflexionsband am äußeren Umfang der rotierenden Welle angebracht, rotes sichtbares Licht oder LEDs werden vom Tachometer ausgestrahlt und das von der Reflexionsmarke reflektierte Licht wird gezählt. Die Anzahl der Umdrehungen wird dann umgerechnet und angezeigt. Der Messbereich hängt von der Anzahl der reflektierenden Bänder ab. Der Erfassungsbereich liegt bei 20-300 mm. Bei der magnetischen Methode handelt es sich um ein Tachometer, bei dem die rotierende Welle magnetisiert wird und die Änderungen des magnetischen Flusses erfasst werden.

3. Kontakttachometer und berührungslose Tachometer

Kontakttachometer werden verwendet, indem ein Kontaktadapter und ein Drehschütz an den Kopf eines berührungslosen Hand-Tachometers angeschlossen werden.

4. Sensor-Tachometer

Bei dieser Art von Tachometern werden Sensoren an der rotierenden Welle angebracht. Es gibt optische, magnetische und elektromagnetische Induktionssensoren. Die meisten sind berührungslos.

Optischer Typ
Eine Scheibe mit einem Schlitz wird am rotierenden Körper angebracht, und durch Lichteinfall wird die Anzahl der Schlitze gezählt, die die Scheibe durchlaufen. Das System hat eine schnelle Reaktionszeit.

Magnetischer Typ
Ein Verfahren, bei dem ein Magnet am Motor befestigt ist und die durch die Drehung verursachten Änderungen des Magnetfelds erfasst werden. Das magnetische Verfahren ist resistent gegen Verunreinigungen wie Wasser und Öl. Es kann in Umgebungen eingesetzt werden, die anfällig für Verunreinigungen sind, wie z. B. industrielle Nähmaschinen und Werkzeugmaschinen.

Elektromagnetische Induktionsmethode
Bei dieser Methode werden Änderungen des Magnetfelds erfasst, wenn die Sensorspule über einen Vorsprung auf dem rotierenden Körper fährt. Geeignet für die Messung hoher Rotationsgeschwindigkeiten. Wird in ABS-Systemen von Kraftfahrzeugen verwendet. Es gibt inzwischen FFT-Tachometer, die die Drehzahl durch Erkennung von Vibrationen und Geräuschen schätzen und messen, ohne dass ein Rotationssensor oder andere Spezialgeräte erforderlich sind.

Was ist ein magnetischer Sensor?

Magnetische Sensoren sind Sensoren, die Magnetismus erkennen.

Sie werden eingesetzt, um den von Dauermagneten und Elektromagneten erzeugten Magnetismus sowie den Erdmagnetismus zu erkennen. Magnetische Sensoren können magnetische Vektoren (Größe und Richtung) erkennen.

Anwendungen magnetischer Sensoren

Magnetische Sensoren werden in den letzten Jahren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Verbraucherprodukten bis hin zu Industrieanlagen.
Ein typisches Beispiel sind Smartphones. Sie werden zur Richtungserkennung bei Kartierungs- und Orientierungsanwendungen eingesetzt.

Auch in der Industrie und Forschung werden sie häufig eingesetzt, um Substanzen zu untersuchen und zu erkennen, die Magnetismus erzeugen. Beispiele für Erkennungsziele sind im Folgenden aufgeführt:

• Geomagnetische Erkennung, die von der Erde erzeugt wird
• Magnetische Erkennung von Mineralien in Gesteinsschichten
• Biologische magnetische Erkennung, die von Muskeln und dem Gehirn erzeugt wird
• Magnetische Tintenerkennung zur Verhinderung von Banknotenfälschungen
• Magnetische Erkennung bei der zerstörungsfreien Prüfung von Strukturen
• Erkennung des durch elektrische Ströme erzeugten magnetischen Flusses

Die oben genannten Erkennungsmethoden können bei folgenden Produkten angewendet werden:

• Kompasse
• Rotations- und Winkelsensoren
• Magnetflusssensoren für MRI mit biomagnetischem Fluss
• Berührungslose Strommessgeräte

Funktionsweise magnetischer Sensoren

Magnetische Sensoren wandeln die Lorentzkraft des magnetischen Flusses in ein elektrisches Signal um und erfassen den magnetischen Vektor (Größe und Richtung).
Es gibt verschiedene Arten von magnetischen Sensoren, die sich grob in Hall-Sensoren mit Hall-Elementen und magnetoresistive Sensoren mit magnetoresistiven Elementen (MR) einteilen lassen.

Hall-Sensoren

Hall-Sensoren nutzen den Hall-Effekt zwischen dem Hall-Element und dem senkrechten Magnetfluss, um den magnetischen Vektor zu erfassen. Der Hall-Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine elektromotorische Kraft im 90 °-Winkel zum magnetischen Fluss und Strom erzeugt wird, wenn ein Strom im rechten Winkel zum magnetischen Fluss erzeugt wird.

MR-Sensoren

MR-Sensoren erkennen magnetische Vektoren mit Hilfe magnetoresistiver Elemente, deren Widerstand sich ändert, wenn sie Magnetismus wahrnehmen.
Es gibt vier Arten von magnetoresistiven Elementen: Halbleitermagnetoresistive Elemente, isomere magnetoresistive Elemente, Riesenmagnetoresistive Elemente und Tunnelmagnetoresistive Elemente.

Weitere Informationen zu magnetischen Sensoren

1. Magnetische Sensoren und Kompasse

Ein Kompass ist ein Werkzeug zur Richtungsbestimmung. Dauermagnete werden seit langem verwendet, aber in den letzten Jahren haben sich elektronische Kompasse durchgesetzt, die anstelle von Dauermagneten magnetische Sensoren zur Berechnung der Richtung verwenden.

Elektronische Kompasse sind auch in Smartphones erhältlich. Ihre Rolle in Smartphones umfasst die Richtungsbestimmung durch Azimut-Apps und die Navigation in Karten-Apps.

Die meisten Karten-Apps verwenden GPS, aber die Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmung liegt nur bei wenigen Metern. Daher ist sie für die Navigation nicht ausreichend. Außerdem können GPS-Signale in Gebieten mit schlechtem Empfang nicht empfangen werden.

Um diese Probleme zu lösen, wird das System mit einem elektronischen Kompass kombiniert, um die Richtung und den Kurs zu bestimmen und GPS-Fehler auszugleichen. Es ist auch möglich, die Kartenanzeige so einzustellen, dass die Fahrtrichtung immer nach oben zeigt.

Da der elektronische Kompass die Fahrtrichtung aus dem schwachen geomagnetischen Feld berechnet, wird die Technologie auch eingesetzt, um die Auswirkungen von magnetischen Teilen wie Lautsprechern zu kompensieren.

2. Magnetische Sensoren und Automobile

Zur Realisierung von Kontrollsystemen, die die Sicherheit und den Komfort von Fahrzeugen erhöhen, werden verschiedene Sensoren eingesetzt, wobei die magnetischen Sensoren Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Kosten haben. Sie werden hauptsächlich in den folgenden Bereichen eingesetzt.

• Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit
• Steuerung der Motordrehzahl
• ABS (Antiblockiersystem)
• Servolenkung
• Autonavigation

Die Technologie des automatischen Fahrens hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und die technologische Entwicklung schreitet voran, um dies mit Hilfe der KI-Technologie zu realisieren. Obwohl es noch viele Herausforderungen gibt, ziehen magnetische Markierungssysteme die Aufmerksamkeit auf sich, da sie einen Weg zur Lösung dieser Probleme darstellen.

Im Gegensatz zum vollautonomen Fahren handelt es sich bei magnetischen Markierungssystemen um führungsbasierte Systeme. Es handelt sich dabei um ein Fahrunterstützungssystem, bei dem auf der Straße angebrachte magnetische Markierungen von den magnetischen Sensoren des Fahrzeugs erkannt werden, um den aktuellen Standort zu ermitteln und den Weg des Fahrzeugs zu steuern. Es wurden Demonstrationstests zur Realisierung des automatisierten Fahrens in Linienbussen eingeleitet.

Was ist ein Funktionsprüfgerät?

Ein Funktionsprüfgerät ist ein Testgerät, das die Funktion ¥einer elektronischen Platine prüft, um sicherzustellen, dass sie tatsächlich richtig funktioniert.

Die elektronische Steuerung eines Geräts wird durch den Einbau einer elektronischen Platine erreicht. Die sichere und korrekte Funktion eines Geräts wird zunächst durch die Prüfung der Elektronikplatine auf Fehler überprüft.

Elektronikplatinen können mit Hilfe der Erscheinungsbildinspektion (AOI), der In-Circuit-Prüfung (ICT) und der Funktionsprüfung (FCT) inspiziert werden, wobei die Erscheinungsbildinspektion auch als Platineninspektion oder Montageinspektion bezeichnet wird.

Bei der visuellen Leiterplatteninspektion werden Geräte zur visuellen Leiterplatteninspektion, z. B. Kameras, eingesetzt, um die Leiterplatte auf Fehler in der Verdrahtung und die ordnungsgemäße Integration der Bauteile auf der Leiterplatte zu prüfen. Nach der visuellen Inspektion der Leiterplatte wird in der Regel eine Funktionsprüfung durchgeführt, um festzustellen, ob die elektronische Leiterplatte tatsächlich korrekt funktioniert. Zur Durchführung dieser Funktionstests werden Funktionsprüfgeräte eingesetzt.

Anwendungen von Funktionsprüfgeräten

Funktionsprüfgeräte werden eingesetzt, um die Funktionsfähigkeit von Elektronikplatinen zu überprüfen, um sicherzustellen, dass sie entsprechend der gewünschten Funktion arbeiten.

Funktionstester werden eingesetzt, um zu prüfen, ob die erwarteten Ausgangssignale und Operationen elektronischer Bauteile ausgeführt werden, wenn Eingangssignale (Inputs) an die Elektronikplatine gesendet werden, deren Funktion geprüft werden soll.

Da die erwartete Funktion naturgemäß bei jeder Elektronikplatine anders ist, ist es sehr wichtig, ein Funktionsprüfgerät auszuwählen, das den beabsichtigten Test durchführen kann.

So wird beispielsweise eine Stromversorgungsplatine daraufhin geprüft, ob beim Einschalten die erwartete Spannung oder der erwartete Strom fließt, oder ein LED-Beleuchtungstest, um zu sehen, wie viel Leistung die entsprechende LED als Reaktion auf den Eingangsstrom aufleuchtet. In den letzten Jahren sind sehr vielseitige Funktionsprüfgeräte für eine breite Palette von Leiterplattentypen verfügbar geworden.

Funktionsweise der Funktionsprüfgeräte

Das Prinzip eines Funktionsprüfgeräts besteht darin, zu prüfen, ob sich eine elektronische Platine wie vorgesehen verhält, indem die Platine mit Strom versorgt wird und die erforderlichen elektrischen Eingangssignale angelegt werden. Es wird geprüft, ob die Signale an den Ausgangsklemmen und das Verhalten der eingebauten elektronischen Bauteile wie vorgesehen sind, um zu testen, ob die Platine entsprechend der gewünschten Funktion arbeitet (Funktion).

Bei der Funktionsprüfung wird die zu prüfende Platine auf ein Funktionsprüfgerät montiert, um zu prüfen, ob sie tatsächlich funktioniert. Bei den Eingangssignalen handelt es sich häufig um Testmuster, die von FPGAs oder anderen Geräten erzeugt werden, und es werden IC-Operationen wie Mikrocontroller verwendet.

Zum Betrieb der Elektronikkarte wird der tatsächliche Betriebsstrom angelegt und die Ausgangswellenform überprüft. Wenn die Platine Lötfehler oder andere Probleme aufweist, besteht die Gefahr eines Kurzschlusses innerhalb der Platine, wodurch die Platine selbst beschädigt werden könnte. Es ist daher wichtig, vor der Funktionsprüfung mit einem Funktionsprüfgerät eine sorgfältige Sichtprüfung der Platine durchzuführen, um sicherzustellen, dass keine Fehler in der Verdrahtung der Platine oder bei der Montage der Bauteile vorliegen.

Das Funktionsprüfgerät prüft nur, ob die Platine tatsächlich eine Funktion ausgeben kann, und ist von einer detaillierten Prüfung der elektrischen Eigenschaften der einzelnen Bauteile (Widerstandswerte, Diodeneigenschaften usw.) zu unterscheiden. Dies wird als In-Circuit-Test (ICT) bezeichnet und erfolgt durch Anlegen eines Stroms, der viel schwächer als der Betriebsstrom ist.

Weitere Informationen zu Funktionsprüfgeräten

1. Unterschiede zur In-Circuit-Prüfung

Bei der In-Circuit-Prüfung wird vor allem geprüft, ob die vorgesehenen Bauteile korrekt montiert sind.

So wird z. B. geprüft, ob bei der Montage von Chip-Bauteilen Lötstellen entstanden sind, ob die Polarität (Ausrichtung) von Dioden und das Äquivalent eines Pins eines ICs richtig montiert sind und ob der Widerstandswert von Chip-Widerständen korrekt ist.

Die Basis wird elektrisch geprüft, indem Prüfstifte mit den Anschlüssen des Bauteils in Kontakt gebracht werden. So können beispielsweise IC-Gehäuse mit internen Anschlüssen wie BGAs oder blinde VIA-Verbindungen auf der Innenseite der Leiterplatte nicht bewertet werden.

Im Gegensatz dazu können Funktionstests grundsätzlich Funktionsfehler beseitigen und sind daher wichtiger, und viele sehr vielseitige Funktionsprüfgeräte haben In-Circuit-Testfunktionen eingebaut.

2. Beispiele für tatsächliche Funktionstestelemente

Beispiele für aktuelle Funktionstests sind die Überprüfung von Stromwerten und Spannungswellenformen von Ausgangsschaltungen, LED-Beleuchtung und Schalterbetrieb, Mikrocontrollerbetrieb unter Verwendung von Mustern aus einem FPGA und Steckertrennungen.

Die Funktionen heutiger Elektronikplatinen, wie sie in elektronischen Kommunikationsgeräten wie Smartphones und fortschrittlichen elektronischen Steuerungsanwendungen in Automobilen zu finden sind, sind so komplex geworden, dass es nur wenige Fälle gibt, in denen handelsübliche Tester unverändert verwendet werden können. Die Zahl derer, die kundenspezifische Anforderungen erfüllen, steigt. Einige Hersteller bieten auch Sets an, die auf die Platine abgestimmte Peripherieschaltungen und Halterungen sowie in einigen Fällen elektromagnetische Abschirmkästen (anechoische Kästen) enthalten.