Temperaturmessung im Hyperloop

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Mit dem Hyperloop in Rekordgeschwindigkeit von A nach B reisen – das ist die Vision von Tesla-CEO Elon Musk. Bei diesen Hochgeschwindigkeits- transporten spielt präzise Sensorik für Überwachungsaufgaben eine wesentliche Rolle.

Sensorik

Kompakte Infrarot-Temperatursensoren führen unter anderem eine Echtzeitkontrolle der Oberflächentemperatur der Antriebsräder im Hyperloop durch.
Kompakte Infrarot-Temperatursensoren führen unter anderem eine Echtzeitkontrolle der Oberflächentemperatur der Antriebsräder im Hyperloop durch.
Messprinzip IR-Sensor
Messprinzip IR-Sensor
Temperaturmessung im Hyperloop
Temperaturmessung im Hyperloop

Der Hyperloop ähnelt dem Prinzip der Rohrpost. Elektrisch getriebene Transportkapseln werden mittels Solarenergie auf Luftkissen durch eine Röhre mit Teilvakuum befördert. Die ursprüngliche Idee dazu ist nicht neu, sie wurde bereits im Jahr 1812 durch George Medhurst vorgestellt. Elon Musk, bekannt durch seine Teilhabe am Onlinebezahlsystem PayPal sowie seine Erfolge mit Elektroautohersteller Tesla und dem privaten Raumfahrtunternehmen SpaceX, verfolgt diese Idee der schnellen Fortbewegung. Laut ihm sei es möglich auf Strecken bis 1500 km deutlich schneller als mit dem Flugzeug und gleichzeitig billiger als mit der Bahn zu reisen. Im Juni 2015 wurde ein Wettbewerb unter dem Namen SpaceX Hyperloop Pod Competition veranstaltet, um die Entwicklung des Hyperloop zu beschleunigen.


Studenten der Technischen Universität München waren bereits bei diesem ersten internationalen Wettbewerb dabei. Die Teams sollten funktionstüchtige Kapseln, sogenannte Pods, konzipieren und sie der Fachjury vorstellen. Von über 700 Bewerberteams, wurden im Januar 2017 lediglich 30 dazu eigenladen, ihre Kapseln in der von SpaceX gebauten, 1,2 km langen Röhre in Kalifornien zu testen. Nach weiteren bestandenen Funktionsprüfungen durfte das WARR Hyperloop Team der TU München als eines von nur drei Teams seine Kapsel durch die Röhre schicken. Visionär Elon Musk beobachtete die deutsche Fahrt höchstpersönlich. Nur die Münchner Kapsel schaffte es am Ende ins Ziel und gewann den Hauptpreis für den schnellsten Hyperloop Pod, an dem mehr als 32 Studenten Entwicklungsarbeit leisten. Auch den zweiten Hyperloop-Contest in Los Angeles im Sommer 2017 konnten die Studenten für sich entscheiden. Sie erreichten dabei einen Top-Speed von 324 km/h, das sind mehr als 200 Meilen pro Stunde.

Mit an Bord des Hochgeschwindigkeitstransports sind Miniatur-Infrarot-Temperatursensoren thermoMETER CSmicro von Micro-Epsilon. Ihre Aufgabe ist die Überwachung der Oberflächentemperatur des polyurethanbeschichteten Antriebsrades und der zehn ebenfalls beschichteten Laufräder. Das Antriebsrad hat einen Radius von 80 mm und erreicht eine Drehzahl von 12 000 Umdrehungen pro Minute bei Maximalgeschwindigkeit. Die Laufräder haben einen Radius von 25 mm und halten das Fahrzeug in der Schiene. Die Oberflächentemperatur muss während der Fahrt und auch auf dem internen Teststand überprüft werden, um die Haltbarkeit der Räder sicherzustellen und deren Verschleiß zu kontrollieren. Die Polyurethanbeschichtung der Räder sollte nicht heißer als 120 Grad werden. Mit diesen Werten ist es ebenfalls möglich Grenzbereiche und Dauerlasten auszuwerten und ggf. Verbesserungen vorzunehmen. 
Um die Oberflächentemperatur der Räder exakt bestimmen zu können, ist der Temperatursensor thermoMETER CSmicro etwa 75 mm über der Oberfläche des Antriebsrades fest angebracht. Dadurch ergibt sich auf jedem Rad ein mittig platzierter, kreisförmiger Messfleck von 7 mm Durchmesser mit hoher räumlicher Auflösung, der zur exakten Bestimmung der Temperatur ausreicht. 
Die Herausforderung für diese Messaufgabe liegt in der hohen Drehzahl kombiniert mit den schwierigen thermischen Bedingungen im Vakuum. Derart hohe Drehzahlen machen eine berührende Messung unmöglich. Daher müssen berührungslose Sensoren zum Einsatz kommen, die dazu die extremen Bedingungen im Vakuum aushalten und gleichzeitig präzise und verlässliche Messwerte liefern. Da im Vakuum keine Wärmeleitung durch Konvektion möglich ist müssen Sensoren mit wenig Verlustwärme zum Einsatz kommen. Das bedeutet, dass die Komponenten nicht durch die Umgebungsluft gekühlt werden können.

Das thermoMETER CSmicro ist ein Temperatursensor, der alle erforderlichen Bedingungen dieser anspruchsvollen Messaufgabe erfüllt. Der Miniatursensor lässt sich durch seine geringen Abmessungen ideal in beengte Bauräume einpassen. Er hat einen Durchmesser von 14 mm, eine Länge von 28 mm und ist mit einem M12 Feingewinde versehen. Der Controller wurde direkt in das Kabel integriert. Des Weiteren produziert der Sensor durch seinen geringen Stromverbrauch von nur 9 mA wenig Verlustwärme und gibt folglich kaum Wärme im Vakuum ab. Des Weiteren ist der Messkopf abgesetzt, Sensor und Elektronik können voneinander getrennt platziert werden, so dass die Elektronik nicht der direkten Hitze in der Umgebung des Messobjektes ausgesetzt ist. Der Sensor selbst lässt sich mühelos ohne Kühlung bei Umgebungstemperaturen von bis zu 120 °C einsetzen, während sich der Messbereich von -40 bis +1030 °C erstreckt. Die beschichtete Siliziumoptik macht ihn robust und unempfindlich. Der Sensor verfügt über einen skalierbaren Analogausgang und einen simultanen Alarmausgang und bietet außerdem die Möglichkeit digitaler und analoger Anschlüsse. Eine digitale Programmierung ist möglich, die erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bietet. Martin Riedel vom WARR Hyperloop Team zeigt sich äußerst zufrieden mit der Sensorlösung von Micro-Epsilon: „Der CSmicro bietet eine sehr kompakte Einheit, um die Oberflächentemperatur genau zu vermessen. Analoge wie auch digitale Anschlüsse halten uns auf unserer Anschlussseite sehr flexibel“.

Das Messprinzip

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15°C (= 0 Kelvin) sendet an der Oberfläche eine seiner Eigentemperatur proportionale elektromagnetische Strahlung, die genannte Eigenstrahlung aus, ganz gleich ob es sich um Eis oder heißen Stahl handelt. Ein Teil dieser Strahlung ist Infrarotstrahlung, die zur Temperaturmessung verwendet werden kann. Diese Strahlung durchdringt die Atmosphäre und wird im Infrarot-Messsystem mittels einer Linse (Eingangsoptik) auf ein Detektorelement fokussiert, welches ein der Strahlung proportionales elektrisches Signal erzeugt. Das Signal wird verstärkt und mittels nachfolgender digitaler Signalverarbeitung in eine der Objekttemperatur proportionale Ausgabegröße umgesetzt. Der Messwert kann auf einem Display angezeigt oder als analoges Signal ausgegeben werden, welches einen einfachen Anschluss an Regelsysteme der Prozesssteuerung ermöglicht. Infrarot-Temperatur-Sensoren der Baureihe thermoMETER sind modular aufgebaut und für ein breites Anwendungsspektrum in der berührungslosen Temperaturmessung ausgelegt. Von niedrigen Temperaturen, die in Kühlketten oder Laboren vorherrschen, bis zu höchsten Temperaturen in Schmelzen und Hochöfen messen Infrarotsensoren präzise und zuverlässig. Dank der kompakten Bauweise der Temperatursensoren werden sie in Anwendungen mit beschränktem Bauraum integriert, z.B. im Maschinenbau, im Kleinstapparatebau oder in OEM Anwendungen mit Mehrfach-Infrarot-Messstellen.

Veröffentlicht am September 14, 2018 - (623 views)
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Beschreibung

MICRO-EPSILON bietet das europaweit breiteste Spektrum an Sensoren zur Weg- und Abstandsmessung, 2D/3D Scannern, IR Temperaturmessung, Farbsensoren und Systemen zur dimensionellen Messung.

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