Entwicklung eines innovativen Messverfahrens zur Detektion von Schädigungen in laufenden Seilen durch akustische Wellen basierend auf der magnetostriktiven Kopplung

Drahtseile sind in vielen fördertechnischen Anwendungen das sicherheitsrelevanteste Bauteil. Bisher existiert kein Messsystem, welches eine vollständige Prüfung im laufenden Betrieb ermöglicht. Heutige Prüfungen sind durch visuelle, magnetinduktive oder bildgebende Analysegeräte stets mit einem Betriebsausfall und einem erheblichen Kostenaufwand verbunden. Ziel des Projekts, ist die Entwicklung eines innovativen Messprinzips von Drahtseilen durch die erstmalige Nutzung des magnetostriktiven Effekts. Dies beinhaltet die Entwicklung neuer Sensoren (EMAT), die eine kontinuierliche berührungslose Überwachung von durchlaufenden Seilsträngen und die Detektion von Drahtschädigungen in bisher unerreichter Genauigkeit ermöglichen. Hierfür wird ein magnetoakustisches Meßprinzip angewendet, bei dem mittels magnetostriktiver Kopplung akustische Wellen auf den Seilen angeregt und durch deren verändertes Übertragungsverhalten Schädigungen erkannt werden können. Über ein ebenfalls neu zu entwickelndes, an die Impedanz-angepasstes Leistungsverstärker-Modul, wird der Sendewandler mit einem Erregungsstrom versorgt und das Spannungssignal des Empfangswandlers aufgenommen, verarbeitet und analysiert.

Das Kernstück des neuen Sensors ist ein elektromagnetischer Sende- und Empfangswandler (EMAT), der speziell auf das magnetoakustische Messprinzip ausgelegt ist. Dabei kann man auf Vorstudien und einem ersten „proof-of-concept“ des Instituts für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg (ISAT) aufbauen, in welchem das Potential des magnetostriktiven Effekts zur Detektion von Drahtbrüchen bereits nachgewiesen wurde. Bei der nun folgenden Entwicklung wird als erstes der Aufbau der Induktionsspulen zur Anregung der akustischen Wellen auf Stahlseilen und der Detektion der Wellen simulationsgestützt untersucht. Eine besondere Herausforderung wird hierbei der zwischen Sensor und Seil befindliche Luftspalt sein, welcher die Messung von durchlaufenden Seilen ermöglicht, aber die Auslegung des EMATs erschwert. Danach werden die Magnete selbst an das neue Messverfahren bezüglich deren Geometrie, Anzahl und Positionierung einschließlich deren Fixierung in einer platzsparenden Konstruktion, angepasst. Die Etablierung der kontaktlosen Magnetisierung und magnetostriktiven Kopplung von durchlaufenden Seilen stellt dabei eine besondere Herausforderung und damit ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal der Technologie dar.

Die Entwicklung und Herstellung des EMATs sowie des Elektronikmoduls für ein vermarktungsfähiges Gesamtsystem werden von der MESOMATIC GmbH & Co. KG übernommen. Die EMATs können dabei sowohl mobil (für eine einmalige Prüfung von Anlagen) als auch fest installiert sein (Monitoring und Seilüberwachung über längeren Zeitraum, z.B. Lifte oder Kräne), um den durchlaufenden Seilstrang zu prüfen. Ebenso sollen die Wandler im Sende-Empfänger als auch im Multiplexmodus arbeiten können, um ein Höchstmaß an Flexibilität für den späteren Einsatz bieten zu können. Um die Anwendung an durchlaufenden und fest montierten Seilen zu ermöglichen, wird der Aufbau des neu entwickelnden EMATs aus zwei Halbschalen bestehen, welche um das Seil gelegt werden können und somit kein offenes Seilende benötigen. Dabei wird eine Herausforderung darin bestehen, den magnetostriktiven Effekt und das magnetische Feld trotz der getrennten Permanentmagnete und Induktionsspulen in den Halbschalen im Seil zu induzieren und effizient zu nutzen. Ebenso werden hohe magnetische Kräfte und elektrische Ströme auftreten, welche in einer betriebssicheren, witterungsbeständigen und mechanisch belastbaren Konstruktion kontrolliert und in einem langlebigen System integriert werden müssen. Ein besonderes Augenmerk wird dabei ebenso auf die Verbindungstechnik der beiden Halbschalen gelegt. Die Gewährleistung einer reibungsarmen Führung durch die Entwicklung von Seilführungsringen wird die konstruktive Auslegung des Messsystems abschließen.

Um das innovative Messsystem mit Strom zu versorgen, wird weiterhin ein an die Sende- und Empfangswandler Impedanz angepasstes Elektronik-Modul entwickelt. Die Synchronisation von Sender und Empfänger, die Erzeugung von Hochspannungs-Pulsfolgen sowie die Entwicklung eines digitalen Messverstärkers zur Detektion der schwachen Induktionssignale (Echos der Drahtseilbrüche) werden dabei die Kernaspekte der Elektronikentwicklung sein. Ziel ist es ein robustes, belastbares sowie mobiles Leistungsverstärker-Elektronik-Modul zu entwickeln, welches den EMAT optimal mit Energie versorgt und für die anspruchsvolle Anwendung zur Drahtseilprüfung geeignet ist.