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10-11 | 2017

Special Automatisierung,

Special Automatisierung, Steuer- & Regeltechnik Dynamische Druckerfassung in extremer Umgebung Bild 1: Die piezoelektrischen Drucksensoren eignen sich für dynamische Messungen bis in den Bereich von über 100 kHz, Druckbereiche bis 8 000 bar und ohne zusätzliche Kühlung für Temperaturen bis 400 oder je nach Ausführung bis 700 °C. Von der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts durch Marie und Pierre Curie im Jahre 1880 bis zu seiner industriellen Nutzung in Sensoranwendungen verging einige Zeit. Erst seit den 1940er-Jahren wird dieses Messprinzip eingesetzt und gilt heute als ausgereifte, zuverlässige Technologie, wenn es beispielsweise gilt, hohe Drücke bis zu mehreren tausend Bar schnell und mit hoher Auflösung zu erfassen. Mittlerweile sind kompakte und robuste piezoelektrische Drucksensoren auf dem Markt, die sich mit Hilfe spezieller Piezomaterialien ohne zusätzliche Kühlung für Temperaturen bis 700 °C eignen. Typische Einsatzbereiche für diese finden sich zum Beispiel im Bereich der Labor- und Prüftechnik ebenso wie beim Maschinen- und Anlagenbau, der Hydraulik, Pumpen und Turboladern, in medizinischen Anwendungen oder auch bei Explosionsdruckmessungen zum Test von Airbags. Beim Messprinzip piezoelektrischer Drucksensoren wird auf ein piezoelektrisches Material eine Druck- oder Zugkraft in definierter Richtung ausgeübt, wobei sich bestimmte entgegengesetzt orientierte Flächen des Kristalls positiv beziehungsweise negativ aufladen. Die Ladungsmenge ist dabei pro- portional zum Betrag der Kraft, ihre Polarität hängt von der Kraftrichtung ab. Die Oberflächenladung wird abgegriffen und in einem Ladungsverstärker in eine messbare 0…10 V Spannung umgewandelt. Diese kann dann durch ein standardmäßiges Kabel an ein Datenerfassungssystem übermittelt werden. Bild: BD/Sensors Für hohe Temperaturen gerüstet Als lösungsorientierter Spezialist für Druck- und Füllstandsmesstechnik hat BD|Sensors dieses Prinzip in kompakten Sensoren umgesetzt, die sich für dynamische Messungen bis in den Bereich von über 100 kHz, Druckbereiche bis 8 000 bar und ohne zusätzliche Kühlung für Temperaturen bis 400 °C, in speziellen Ausführungen sogar bis 700 °C eignen (Bild 1). Dabei ist die Auflösung sehr hoch; bei einem Messbereich von 500 bar beispielsweise beträgt sie 1 mbar. Gemessen werden können sehr schnelle Druckanstiege von mehr als 1 000 bar/µs. Außerdem lassen sich die Sensoren einfach in die unterschiedlichen Anwendungen integrieren. Diese Leistungsfähigkeit kommt nicht von ungefähr: Die Thiersteiner Sensorikspezialisten kooperieren mit dem österreichischen Sensorentwickler und Hersteller Piezocryst, der auf über 50 Jahre Erfahrung mit piezoelektrischer Messtechnik zurückblicken kann. Das Unternehmen unterhält eine eigene Kristallzucht sowie -bearbeitung und ist weltweit der einzige Hersteller, der einkristallines Galliumphosphat als Grundlage für die Herstellung piezoelektrischer Sensoren produzieren und bearbeiten kann. Für die hochdynamische Druckerfassung bei großen thermischen und mechanischen Belastungen ist dies das am besten geeignete piezoelektrische Material. Galliumphosphat ist im Gegensatz zu vielen anderen piezoelektrischen Materialien nicht pyroelektrisch, was ungestörte Messungen bei hohen thermischen Gradienten zulässt und bietet zudem einen sehr hohen Innenwiderstand. Dies resultiert in einer geringen Temperaturdrift und bildet die Grundlage für lineare Sensoren mit einem besonders guten Signal- Rausch-Verhältnis. Das Messprinzip Bei den piezoelektrischen Drucksensoren sind diese Galliumphosphat-Kris- 14 UmweltMagazin Oktober - November 2017

Automatisierung, Steuer- & Regeltechnik Special Bild: Shutterstock 59885752 Bild 2: Explosionsdruckmessungen beim Airbagtest. Bild 3: Prüfstand für hydraulische Bauteile. Bild: Shutterstock 315103157 Bild: Berstscheiben Schlesinger GmbH Bild: Unternehmensgruppe Karl Unterweger Bild 4: Druckspitzenermittlung bei Schaltvorgängen in Getrieben. Bild 5: Test von Berstscheiben. talle direkt hinter der Membran im Sensor angebracht. Die Membran wandelt den Druck in eine Kraft um, die dann wiederum auf den Kristall wirkt. Darauf reagiert dieser linear mit einer Ladungsverschiebung, also elektrischen Ladungen an seiner Oberfläche. Druck wird damit direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt – ohne weitere Messbrücken, Temperaturkompensation oder ähnliches. Ein weiterer Vorteil ist, dass die dünne Membran durch die hochfesten Sensorelemente abgestützt wird. Dauerbelastbarkeit und Überlastfähigkeit sind dadurch groß. Da der piezoelektrische Effekt eine mikroskopische Eigenschaft des Kristallgitters ist, hat der Sensor ein sehr gutes Ansprechver- halten und eignet sich besonders für schnelle dynamische Druckmessungen und für solche bei hoher Grundlast. Die Ladung der Kristallelemente wird durch einen Ladungsverstärker oder ein Ladungswandler in ein elektrisches 0...10 V-Signal umgewandelt. Um ein stabiles Signal zu gewährleisten, werden piezoelektrische Sensoren üblicherweise mit einem Hochpassfilter betrieben, weshalb diese Technologie für statische Messungen lediglich sehr bedingt geeignet ist und nur für dynamische Druckmessung verwendet wird. Für diese Anwendungen bietet sie aber Vorteile und eröffnet diverse Möglichkeiten, die mit anderen Technologien nicht zugänglich wären. Hochdrucksensoren und ihre Anwendungsbereiche Bei Explosionsdruckmessungen (Bild 2) in Bereich der Airbag-Entwicklung beispielsweise finden die Hochdrucksensoren einen typischen Anwendungsbereich. Ähnliche Anforderungen gibt es aber auch in der Medizintechnik. Hier braucht man sie zum Beispiel um den Druckanstieg bei Lithotriptoren zu überwachen, die zur Nierensteinzertrümmerung durch Ultraschall verwendet werden. Explosionsdruckmessungen werden darüber hinaus natürlich auch bei ballistischen Untersuchungen eingesetzt und auch im Prüfstandbau sind die Hochdrucksensoren gefragt: UmweltMagazin Oktober - November 2017 15

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