Under våren har forskningscentret STC fått över 60 miljoner kronor i bidrag till projekt tänkta att stötta den regionala industrin. I ett av projekten – ORESS, kort för On rotor Embedded sensorsystem – tittar forskarna på hur de kan mäta varvtal på roterande maskindelar utan mekanisk koppling mellan stator och rotor.

– I det här projektet fokuserar vi på låga varvtal på axlar med stor diameter, större än 40 cm, eftersom det är ett ganska vanligt och besvärligt scenario i tunga industriella tillämpningar som företag som Leine & Linde och Hägglunds Drives brottas med, säger Bengt Oelmann, projektansvarig och professor i elektroniksystemkonstruktion.

Idag används främst optiska enkodrar för att mäta varvtal. Det är det noggrannaste alternativet, och sensorföretaget Leine & Linde har utvecklat tekniken i närmare ett halvt sekel.

Men optiska enkodrar har begränsningar. Dels bygger tekniken på en mekanisk överföring av rotationen till själva sensorn, vilket kan begränsa sensorns livstid. Dels kräver den en fri axelände, vilket ofta saknas. Exempelvis kan det sitta en motor i ena änden och en last i den andra.

Det finns alternativa tekniker utan mekanisk koppling. Vanligen är det någon typ av optisk mätning med passiva element på rotorn och den aktiva utläsningsenheten på statorn. Nackdelen är att både noggrannheten och känsligheten är ganska dålig, samt att få senortyper kan användas.

– Vi vill ta steget fullt ut och sätta hela sensorsystemet på rotorn. Då kan vi använda de sensorer som vi anser vara bäst lämpade för en viss mätning. Å andra sidan får vi problem med kommunikation och energi, men det tror vi är överkomligt.

Han påpekar att det ännu inte gjorts mycket forskningsmässigt inom detta område. Ingen vet vilka sensorer som är bäst eller vilka fördelar som finns med olika alternativ. Därför ställer man nu memssensorers prestanda i relation till existerande teknik, främst optiska enkodrar.

Fördelen med gyron är att man får vinkelhastigheten direkt, vilket är exakt rätt vid varvtalsberäkning.

Accelerometrar mäter centripetalaccelerationen, vilket också fungerar eftersom den ökar med rotationshastigheten. Problemet är att även den roterande axelns vibration kommer att översättas till en ändring i vinkelhastighet. Men med en differentiell mätning, alltså två accelerometrar, går det att upphäva påverkan från vibrationer.

Accelerometrar har ytterligare en nackdel. De är väldigt onoggranna vid låga varvtal, medan gyron har betydligt bättre karakteristik i samma situation. Samtidigt har accelerometerparet fördelen av att bli känsligare ju längre man flyttar dem från rotationscentrum, så tekniken kan mycket väl vara användbara för väldigt tjocka axlar.

Under de senaste månaderna har forskarna byggt upp en klimatkammare för att testa och karakterisera olika sensorkonfigurationer. Referenssensorn är en optisk enkoder från tyska Heidenhain som normalt används som precisionssensor, exempelvis för verktygsmaskiner med hög precision och vid styrning av rymdteleskop.

– Just nu testar vi gyron. Det är för tidigt att säga något om testresultatet ännu, men jag kan konstatera att det verkar som att referensen är lite för dålig för oss. Vår sensorplattform är nästan i klass med referensen och ändå har vi inte optimerat den än, säger Bengt Oelmann nöjt.

Vid långsamma varvtal och stora axlar blir det också problem med kommunikationen eftersom sensorn försvinner på baksidan under långa stunder. Därför har man simulerat och gjort tester för att även bestämma hur många sändare och mottagare som behövs i en konfiguration. Ett alternativ kan dock vara att sätta en reflektor, som en skärm runt axeln, som reflekterar signalen. I så fall krävs enbart en sändar- och en mottagarenhet.

Enheten som för tillfället testas innehåller enbart ett gyro som sensor och kan bara användas för att mäta varvtal. Men inom STC pågår sidoprojekt som är hårt knutna till ORESS.

Ett sidoprojekt handlar om att trådlöst mäta vibrationer. Plattformen för detta ändamål har blivit klar i dagarna. Den innehåller antenn, radiochip, en 32 bitars mikrokontroller samt en FPGA. Som sensor används accelerometrar eftersom gyron inte fungerar för vibrationsmätning.

Att mäta vibration på den roterande axeln är rejält komplext. Idag görs det normalt inte, men forskarna tror att det kan vara intressant i framtiden eftersom informationen skulle kunna användas för att exempelvis avgöra när kullager – som ju absorberar vibrationsenergi – börjar ta slut.

– Det är stor skillnad mellan att mäta varvtal och vibration. Vibrationsmätningar kräver att sensorplattformen kan göra många täta FFT-beräkningar på varandra innan data skickas över till mottagaren. Varvtalsberäkning är betydligt enklare.

I ett annat sidoprojekt har man tagit fram ytterligare en plattform för varvtalsräkning. Till skillnad från plattformen för vibrationsmätning har den ingen FPGA. Däremot innehåller den ett gyro samt två accelerometrar. Plattformen är dock inte tänkt för låga varvtal – utan tusentals varv per minut – så det är inget problem att accelerometrarna sitter nära varandra.

– Här vill vi experimentera med både gyron och accelerometrar. Vi vill inte utesluta accelerometrar, utan tror faktiskt att de i vissa fall kan vara bättre än gyron även för låga varvtal.

– Personligen tror jag att accelerometrar kan vara ett bättre alternativ än gyron om man har riktigt tjocka axlar, så den tekniken kommer vi att undersöka vidare, säger Bengt Oelmann.

Projektet ORESS finansieras av KK-stiftelsen, Mittuniversitetet, Leine & Linde och Hägglunds Drives.