Auf kühlen Reifen zur Spitzengeschwindigkeit im Hyperloop

Mit dem sogenannten Hyperloop in Rekordgeschwindigkeit von A nach B reisen – das ist die Vision von Tesla-Chef Elon Musk. Bei diesen Hochgeschwindigkeitstransporten spielt präzise Sensorik für Überwachungsaufgaben eine wesentliche Rolle. So wird beispielsweise die Oberflächentemperatur der Antriebsräder durch Infrarot-Temperatursensoren von Micro-Epsilon in Echtzeit kontrolliert.

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. Seine Vision: Mit dem Hyperloop auf Strecken bis 1500 km deutlich schneller als mit dem Flugzeug und gleichzeitig billiger als mit der Bahn zu reisen.

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Team der TU München unter den Auserwählten

Um die Entwicklung des Hyperloops zu beschleunigen, wurde im Juni 2015 die SpaceX Hyperloop Pod Competition aus der Taufe gehoben, an der auch Studenten der Technischen Universität (TU) München teilnahmen. Im Rahmen des internationalen Wettbewerbs sollten funktionstüchtige Hyperloop-Kapseln, sogenannte Pods, konzipiert und einer Fachjury präsentiert werden. Über 700 Teams bewarben sich mit ihren Entwicklungen – nur 30 wurden im Januar 2017 eingeladen, ihre Kapseln in der von SpaceX gebauten, 1,2 km langen Röhre in Kalifornien zu testen.

Nach weiteren bestandenen Funktionsprüfungen durfte das Hyperloop-Team der TU München als eines von nur drei Teams seine Kapsel unter den Augen von Elon Musk durch die Röhre schicken. Nur die Münchner Kapsel schaffte es am Ende ins Ziel und gewann den Hauptpreis für den schnellsten Hyperloop Pod. Auch den zweiten Hyperloop-Contest in Los Angeles im Sommer 2017 konnten die Studenten für sich entscheiden. Sie erreichten dabei eine Spitzengeschwindigkeit von 324 km/h.

Sensoren überwachen die Temperatur der Laufräder

Mit an Bord des Hochgeschwindigkeitstransports sind Miniatur-Infrarot-Temperatursensoren vom Typ Thermometer CS Micro von Micro-Epsilon. Sie überwachen die 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 °C werden. Mit Hilfe dieser Werte können zudem Grenzbereiche und Dauerlasten ausgewertet werden und ggf. Verbesserungen vorgenommen.

Um die Oberflächentemperatur der Räder exakt bestimmen zu können, ist der Thermometer CS Micro 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.

Schwierige thermische Bedingungen im Vakuum

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 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 CS Micro lässt sich dank seiner 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. Der Sensor entwickelt aufgrund seines geringen Stromverbrauchs von nur 9 mA geringe 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.

Sensor behält kühlen Kopf

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 der Technischen Universität München zeigt sich äußerst zufrieden mit der Sensorlösung von Micro-Epsilon: „Der CS Micro bietet eine sehr kompakte Einheit, um die Oberflächentemperatur genau zu vermessen. Analoge wie auch digitale Anschlüsse halten uns auf unserer Anschlussseite sehr flexibel“.

Temperatur mittels Infrarot messen

Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C (0 Kelvin) sendet an der Oberfläche eine zu seiner Eigentemperatur proportionale elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Eigenstrahlung aus, ganz gleich ob es sich um Eis oder heißen Stahl handelt. Bei einem Teil dieser Strahlung handelt es sich um 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.

Bei der Infrarot-Temperaturmessung kommt es vor allem auf die drei Faktoren Emission, Transmission und Reflexion an. Der Emissionsgrad eines Körpers gibt beispielsweise an, wie viel Strahlung er im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem schwarzen Körper, abgibt. Optimale Temperaturmessungen können bei Wellenlängen durchgeführt werden, bei denen der Transmissionsgrad unabhängig von der Dicke annähernd Null ist. Polyurethan, Polyester Teflon, FEP und Polyamid beispielsweise sind bei 7,9 µm undurchlässig.

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.

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Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.de.

* Dipl.-Ing. Manfred Pfadt ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co.KG in Ortenburg.

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