Zur Erfassung der Verformung sind im Lauf der Zeit viele verschiedene Methoden entwickelt worden. Neben optischen Methoden wie der sogenannten Schatten-Moiré-Technik oder laserbasierten Ansätzen gibt es eine ganze Reihe von elektrischen Verfahren, darunter kapazitive, induktive, piezoelektrische und resistive Methoden. Viele dieser häufig sehr kostspieligen Verfahren lassen sich aber nur unter Laborbedingungen anwenden, was im industriellen Umfeld nicht immer praktikabel ist. Eine wirtschaftlichere Alternative bietet die Krafterfassung mittels Dehnungsmessstreifen (DMS). Der DMS ist mit einer Stromquelle verbunden und wird direkt auf das mechanische Element appliziert, das dem Drehmoment ausgesetzt ist. Die mechanische Verformung des DMS ändert dessen elektrischen Widerstand, was sich in einer Änderung des Ausgangssignals niederschlägt. Bei vielen praktischen Anwendungen hat diese Methode aber mit zwei Schwierigkeiten zu kämpfen. Erstens sind die Änderungen des Widerstands im DMS sehr klein, sodass die Messung sehr leicht durch Rauschen beeinträchtigt werden kann. Die Messgenauigkeit ist somit begrenzt. Zweitens kann es überaus schwierig sein, den Messstreifen, der ja mit dem untersuchten Bauteil rotiert (und zwar oft sehr schnell), mit der Stromquelle zu verbinden. Hilfskonstruktionen mit Schleifringen oder induktiver Kopplung mittels Transformatoren sind zwar möglich, der Zeit- und Kostenaufwand dafür kann aber die wirtschaftlichen Vorteile der DMS-basierten Messung schnell zunichtemachen. Eine rundum befriedigende Lösung für die Erfassung des Drehmoments war damit lange Zeit nicht verfügbar.
Akustische Oberflächenwelle
Um diese Lücke zu schließen, hat das britische Unternehmen Sensor Technology eine patentierte Messlösung entwickelt, die auf einem völlig neuartigen Prinzip basiert. Das Messelement ist ein Wandler (Transducer) zur Erfassung von akustischen Oberflächenwellen (AOW), eines Phänomens, das häufig auch unter der englischen Abkürzung SAW (surface acoustic wave) Erwähnung findet. Das Kernstück des Wandlers sind zwei Elektroden, die in der Art von verschränkten Fingern ineinandergreifen. Die Elektroden aus einem dünnen Metallfilm sind auf einem piezoelektrischen Substrat angebracht, z.B. Quarz. Der Wandler wird auf dem mechanischen Element angebracht, das untersucht werden soll, also z.B. eine Getriebewelle. Legt man an einen solchen Wandler ein elektrisches Signal einer bestimmten Frequenz im Radiobereich an, löst dies akustische Schwingungen aus, die sich auf der Oberfläche des Substrats fortpflanzen, die sogenannten akustischen Oberflächenwellen. Der Wandler bildet also einen Schwingkreis aus Elektrode und Substrat. Durch das Drehmoment, das auf die Getriebewelle wirkt, wird diese mechanisch verformt. Diese Verformung überträgt sich auf das piezoelektrische Substrat des Wandlers, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz hängt also vom Drehmoment ab, das auf die Welle wirkt. Aufgrund dieses Zusammenhangs kann man einen solchen Wandler als frequenzabhängigen Kraftsensor nutzen.
Vorteile gegenüber anderen Methoden
Weil AOW-Wandler im Radiofrequenzbereich arbeiten, sind sie für den drahtlosen Austausch von Signalen prädestiniert. Das ist ein großer Vorteil gegenüber DMS, denn der Wandler kann auf Wellen und anderen rotierenden Teilen platziert werden, ohne dass diese durch Kabel, Schleifringe usw. beeinträchtigt würden. Damit sind auch die Voraussetzungen für wesentlich genauere Messungen und eine unterbrechungsfreie Datenübertragung gegeben, weil das Signal bei der Funkübertragung viel weniger beeinträchtigt wird als bei Schleifringen und anderen (elektro-) mechanischen Übertragungsverfahren. Das betrifft auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Signale. Mit der Drehmomentmessung mittels AOW-Wandler sind Messdaten erstmals in Echtzeit verfügbar. Das erweist sich in Testumgebungen als Vorteil, da die Auswirkungen von veränderten Bedingungen sofort nachvollzogen werden können. Die Entwicklung der AOW-Wandler-Technologie hat eine neuartige, kompaktere und robuste Bauform für Drehmoment-Messgeräte ermöglicht. Die angebotenen Geräte der Familie TorqSense können Drehmomente von 1 bis 13.000Nm exakt messen. Auf Kundenwunsch sind auch Sonderanfertigungen für höhere Messbereiche möglich. Der Einsatz bei entsprechend hohen Rotationsgeschwindigkeiten ist nur möglich, weil die Messelektronik kabellos mit dem Sensor verbunden ist und die Masseträgheit des eigentlichen Sensors auf dem beweglichen Teil vernachlässigbar ist.
Einsatzbereiche
Obwohl die Drehmomentmessung mittels akustischer Oberflächenwellen eine relativ neue Technologie ist, haben die Geräte bereits in sehr unterschiedlichen Anwendungsfeldern ihre Vorteile bewiesen. Ein bedeutender Einsatzbereich ist das Testen von elektrischen Pumpen unterschiedlichster Größen – von Kleingeräten, die auf Sportbooten eingesetzt werden, bis zu Anlagen, die in Stahlwerken und anderen Industriebetrieben zum Einsatz kommen. Industrielle Pumpanlagen müssen regelmäßig instandgehalten werden. Nach Abschluss der Wartungsarbeiten werden die verschiedenen Kennlinien durchgetestet. Die Messung des Drehmoments zeigt, ob die Pumpe eine bestimmte Drehzahl erreicht und dabei auch die entsprechende Pumpleistung bringt. Für solche Anwendungen setzen Anwender im Industriebereich auf die neuen Sensoren, weil sich das System im Vergleich zu früheren DMS-Lösungen als deutlich weniger störungsanfällig erwiesen hat. Es gibt noch viele weitere Testanwendungen, bei denen die Geräte zum Einsatz kommen. Die Eignung für Drehzahlmessungen an Motoren liegt auf der Hand. Ebenso erlauben die Geräte jedoch die Ermittlung der Standfestigkeit von Stehbolzen oder anderen mechanischen Komponenten. So werden in entsprechenden Materialprüfständen Bolzen definiert verschraubt. Währenddessen misst das Gerät in Echtzeit das Drehmoment, das auf den Bolzen wirkt. Die Schraubkraft wird sukzessive so lange erhöht, bis der Bolzen bricht. Damit wird der Grenzwert für das Drehmoment ermittelt, bis zu dem eine bestimmte Komponente eingesetzt werden kann. Für solche Testanordnungen ist es ein zusätzlicher Vorteil, dass die TorqSense-Geräte die erfassten Daten protokollieren. Ein Export in LabView für eine nachträgliche Detailanalyse ist ebenfalls möglich. Bei anderen Anwendungen dient die Messung des Drehmoments dazu, Rückschlüsse auf eine ganz andere Größe zu gewinnen. In universitären Forschungslabors wird z.B. die Viskosität bestimmter Substanzen mithilfe von Rührwerken ermittelt, an deren Schaft ein Drehmomentsensor angebracht ist. Verändert sich die Viskosität der untersuchten Substanz, ändern sich auch die Kräfte, die auf den Schaft wirken. Denn wenn der Stoff zähflüssiger wird, steigt der Widerstand, der der Rotation des Rührwerks entgegenwirkt.
