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Sicher Im Grünen Bereich

Drucksensoren: Vorteilhafter Einsatz von piezoresistiven, keramischen Dickschicht- oder Metall- Dünnfilm- Versionen
Sicher Im Grünen Bereich

Wer die Wahl hat, hat die Qual. Das gilt auch für die Suche nach dem geeigneten Drucksensor. Wer durch die Kataloge der Hersteller blättert, stellt schnell fest, dass es eine breite Palette von Druckmessumformern mit unterschiedlichsten Produktmerkmalen basierend auf verschiedensten Sensoriken gibt. Der Beitrag soll zeigen, welches Produkt sich am besten für die eigene Anwendung eignet.

Der Autor Andreas Wülfing ist Produktmanager Tronic bei der Wika Alexander Wiegand GmbH & Co. KG, Klingenberg

Druck wird in unterschiedlichsten Anwendungen unter verschiedensten Einsatzbedingungen gemessen: Die Anwendungsfelder erstrecken sich von Werkzeugmaschinen über die Nahrungs- und Genussmittelindustrie bis zur Hydraulik- und Pneumatik. In der elektronischen Druckmesstechnik haben sich verschiedene Sensortechnologien etabliert – und jede davon hat ihre speziellen Vor- und Nachteile und unterliegt damit gewissen Einsatzgrenzen. So unterscheiden sich die verschiedenen Produkte unter anderem hinsichtlich Empfindlichkeit, Lastwechselfestigkeit, Linearität, Einstellzeit, Korrosionsbeständigkeit und nicht zuletzt im Preis. Deshalb hat Wika seine Palette an Drucksensoren um monolithische Keramik-Dickschichtsensoren erweitert. Sowohl für Standardgeräte als auch für kundenspezifische Ausführungen hält das Unternehmen für jede Applikation den richtigen Sensor bereit.
Piezoresistiv
Das piezoresistive Sensorelement basiert auf einem Sili-zium-Sensorchip, auf dem vier Widerstände aufgebracht und zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet sind. Das Messprinzip dabei nutzt den piezoresistiven Effekt, das heißt die Veränderung der Leitfähigkeit der Widerstände durch eine mechanische Belas-tung.
Um den empfindlichen Chip vor den Medien zu schützen, wird zur Übertragung des zu messenden Drucks eine Füllflüssigkeit verwendet.
Die sehr große Widerstandsänderung ermöglicht sehr niedrige Messbereiche – Drücke bis in den mbar-Bereich lassen sich messen. Aber auch Messbereiche bis nahezu 1 000 bar sind realisierbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des piezoresistiven Sensors ist seine hohe Überlastsicherheit. Dabei lassen sich Genauigkeiten bis zu 0,05 % der Spanne realisieren.
Metall-Dünnfilm
Auch beim metallischen Dünnfilmsensor sind vier Widerstände (in Form von Dehnungsmessstreifen [DMS]) zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet. Dabei gibt es verschiedene Methoden, die Widerstände auf den metallischen Grundkörper aufzubringen. Die DMS können zum Beispiel aufgeklebt werden.
Wika hat sich gegen dieses Verfahren entschieden, da trotz der heute existierenden qualitativ hochwertigen Kleber hier immer eine Schwachstelle liegt: Hohe Temperaturen und Drücke sowie häufige Lastwechsel lassen Klebstoffe altern und die DMS auf der Membrane wandern. Dadurch leidet die Langzeitstabilität des Sensors.
Wika fertigt seine Sensoren im sogenannten Sputterverfahren, wobei das Membranmaterial und die Isolationsschicht zwischen Membran und Widerständen eine molekulare Verbindung eingeht, was eine sehr gute Langzeitstabilität garantiert. Da Temperaturänderungen das Widerstandsverhalten der Messbrücke beeinflus-sen, werden zusätzlich zu den DMS Temperatur Kompen-sationswiderstände direkt in das Sensorlayout eingefügt. Diese gleichen den Temperatur-einfluss auf die Brückenwiderstände aus, so dass keine externe Temperaturkompensation erforderlich ist.
Dünnfilmsensoren sind aufgrund des verwendeten Edelstahls sehr korrosionsbeständig und unempfindlich gegen Schock- und Vibrationsbelas-tungen sowie dynamische Druckänderungen. Sie bieten auch bei hohen Drücken eine sehr kleine Baugröße. Ferner kennzeichnen ein hoher Berstdruck und eine gute Nullpunkt-Stabilität diese Sensoren.
Da der Sensor aus Edelstahl gefertigt wird, lässt er sich problemlos mit dem Druckaufnehmer verschweißen – eine interne Dichtung ist nicht erforderlich. Auch bei längerem Einsatz besteht keine Gefahr von Undichtigkeiten. Beim Dünnfilm- wie auch beim piezoresistiven Sensor sind alle messstoffberührten Teile aus Edelstahl gefertigt, so dass sich auch kritische Medien messen lassen. Der Dünnfilmsensor hat dabei noch den Vorteil, kein Füllmedium zum Übertragen des Drucks zu benötigen. So legen Anwender, die unter anderem im Bereich der Pharmaindustrie tätig sind, Wert auf eine trockene Messzelle, da auch im Schadensfall kein Füllmedium in den Prozess gelangen kann.
Auch beim Dünnfilmsensor lassen sich Genauigkeiten bis zu 0,05 % der Spanne realisieren. Aufgrund dieses Profils lassen sich Dünnfilmsensoren so gut wie überall einsetzen. Selbst Drücke von bis zu 8 000 bar, wie in Wasserstrahlschneidanlagen, Hochdruckreinigern, Prüfständen und Innenhochdruckumformanlagen, können mit Dünnfilmsensoren gemessen werden.
Monolithische Keramik-Dickschicht
Wie sein Name sagt, besteht der Sensor aus einem Monolithen. Er ist also aus einem Stück gefertigt und verbindet nicht wie häufig üblich die Membran und den Grundkörper durch ein Glaslot. Das sorgt ähnlich wie beim Dünnfilmsensor für hohe Langzeitstabilität.
Auf die Membran des keramischen Grundkörpers wird im Dickschichtverfahren durch Masken- und Siebdrucktechniken eine Wheatstone’sche Brücke aufgebracht. Die aufgedruckte Paste wird danach getrocknet und gebrannt. Der Keramik-Dickschichtsensor positioniert sich mit seinen Messbereichen zwischen dem piezoresistiven und dem Dünnfilmsensor und zeichnet sich durch sehr gute Korro-sionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien aus.
Die richtige Auswahl
Jede Sensorik hat ihre Vor- und Nachteile. Es gibt keine, die generell für alle Einsatzgebiete optimal ist. Daher ist es für die Auswahl des geeigneten Sensors zunächst einmal wichtig, dass die Anwendung mit ihren Einsatzbedingungen möglichst genau bekannt sind. Um den Kunden aber wirklich beraten und ihm die für die jeweilige Messaufgabe optimale Sensorik anbieten zu können, sollte der Anbieter über eine breite Produktpalette verfügen. Nur so wird sichergestellt, dass die für den Kunden zweckdienlichste Sensorik angeboten wird.
Internet
Ausführliche Informationen
Piezoresistive Drucksensoren
KEM 468
Keramische Dickschicht-Drucksensoren
KEM 469
Metall-Dünnfilm-Drucksensoren
KEM 470
Emerson: Pneumatik 4.0

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Pneumatik 4.0 bei Emerson im Überblick

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