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Drei Sensortechnologien

Für jedes Einsatzgebiet die geeignete Drucksensorik
Drei Sensortechnologien

Drei Sensortechnologien
Wika Tronic Drucksensoren
Wer die Wahl hat, hat die Qual. Dieser Satz gilt auch für die Suche nach einem geeigneten Drucksensor. Wer heute durch die Kataloge der Sensorhersteller blättert, stellt schnell fest, dass eine breite Palette von Druckmessumformern mit unterschiedlichsten Produktmerkmalen, basierend auf verschiedenste Sensoriken, zur Auswahl steht. Welcher Druckmessumformer eignet sich nun am besten für die eigene Anwendung?

Dipl.-Ing. Gerald Schmitt, Productmanager TRONIC, WIKA GmbH, Klingenberg

Druck wird in den unterschiedlichsten Anwendungen und unter den unterschiedlichsten Einsatzbedingungen gemessen: Die Anwendungsfelder erstrecken sich von Werkzeugmaschinen über die Nahrungs- und Genussmittelindustrie bis hin zu Hydraulik- und Pneumatikanwendungen. In der elektronischen Druckmesstechnik haben sich verschiedene Sensortechnologien etabliert – doch jede Technologie hat ihre speziellen Vor- und Nachteile und unterliegt damit gewissen Einsatzgrenzen. So unterscheiden sich die verschiedenen Sensoren u.a. hinsichtlich Empfindlichkeit, Lastwechselfestigkeit, Linearität, Einstellzeit, Korrosionsbeständigkeit und natürlich nicht zuletzt hinsichtlich des Preises.
Aus diesem Grund hat WIKA seine Palette an Drucksensoren um monolithische Keramik-Dickschichtsensoren erweitert. Jeder Kunde kann die für seine Anwendung passende Lösung wählen. Als weltweit erster Hersteller bietet WIKA seinen Kunden die wesentlichen der heute möglichen Sensortechnologien aus einer Hand. Sowohl für Standardgeräte als auch für kundenspezifische Ausführungen hält WIKA für jede Applikation den richtigen Sensor bereit.
Als die drei heute führenden Sensortechnologien haben sich die piezoresistive, der Metall-Dünnfilm und die Keramik-Dickschicht durchgesetzt.
Piezoresistiv
Das piezoresistive Sensorelement basiert auf einem Silizium-Sensorchip, auf dem vier Widerstände aufgebracht und zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet sind. Das Messprinzip dabei nutzt den piezoresistiven Effekt, d.h. die Veränderung der Leitfähigkeit der Widerstände durch eine mechanische Belastung.
Um den empfindlichen Chip vor den Medien zu schützen, wird zur Übertragung des zu messenden Drucks eine Füllflüssigkeit, wie z.B. Silikonöl verwendet. Für bestimmte Anforderungen werden aber auch andere Füllflüssigkeiten eingesetzt, so verlangt etwa die Nahrungs- und Genussmittelindustrie häufig Pflanzenöl.
Die sehr große Widerstandsänderung ermöglicht sehr niedrige Messbereiche – Drücke bis in den mbar-Bereich können gemessen werden. Aber auch Messbereiche bis nahezu 1000 bar sind realisierbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des piezoresistiven Sensors ist seine hohe Überlast-sicherheit. Dabei lassen sich Genauigkeiten bis zu 0,05 Prozent der Spanne realisieren.
Metall-Dünnfilm
Auch beim metallischen Dünnfilmsensor sind vier Widerstände (in Form von Dehnungsmessstreifen) zu einer Wheatstone’schen Brücke geschaltet. Dabei gibt es verschiedene Methoden, die Widerstände auf den metallischen Grundkörper aufzubringen. Die Dehnungsmessstreifen können zum Beispiel aufgeklebt werden. WIKA hat sich eindeutig gegen dieses Verfahren entschieden, da trotz der heute existierenden qualitativ sehr hochwertigen Klebemittel, hier immer eine Schwachstelle liegt. Hohe Temperaturen und Drücke sowie häufige Lastwechsel lassen Kleber altern und die Dehnmessstreifen auf der Membrane wandern – und damit leidet natürlich 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 hervorragende Langzeitstabilität garantiert. Da das Widerstandsverhalten der Messbrücke durch Temperaturänderungen beeinflusst wird, werden zusätzlich zu den Dehnungsmessstreifen Temperaturkompensationswiderstände direkt in das Sensorlayout eingefügt. Diese gleichen den Temperatureinfluss auf die Brückenwiderstände aus, d.h. es ist keine externe Temperaturkompensation erforderlich. Dünnfilmsensoren sind aufgrund des verwendeten Edelstahls sehr korrosionsbeständig und unempfindlich gegen Schock- und Vibrationsbelastungen sowie dynamische Druckänderungen. Sie bieten auch bei hohen Drücken eine sehr kleine Baugröße. Ferner kennzeichnen ein hoher Berstdruck und eine gute Nullpunkt-Stabilität diese Dünnfilm-sensoren. Dadurch dass der Sensor aus Edelstahl gefertigt wird, lässt er sich problemlos mit dem Druckaufnehmer verschweißen, d.h. eine interne Dichtung ist nicht erforderlich. Auch über längere Einsatzzeiten besteht keine Gefahr von Undichtigkeiten. Beim Dünnfilm- wie auch beim piezoresistiven Sensor sind alle messstoffberührten Teile aus Edelstahl gefertigt, d.h. auch kritische Medien können gemessen werden. Der Dünnfilmsensor hat dabei noch den großen Vorteil, kein Füllmedium zur Übertragung des Drucks zu benötigen. So legen Anwender, die u.a. 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 Prozent der Spanne realisieren. Aufgrund dieses Profils lassen sich Dünnfilmsensoren so gut wie überall einsetzen. Selbst Drücke bis 8000 bar, wie z.B. in Wasserstrahlschneidanlagen, Hochdruckreinigern, Prüfständen und Innenhochdruckumformanlagen, können mit Dünnfilmsensoren gemessen werden.
Monolithische Keramik-Dickschicht
Wie der Name schon sagt, besteht der Sensor aus einem Monolithen, d.h. er ist aus einem Stück gefertigt und verbindet nicht – wie häufig üblich – die Membran und den Grundkörper durch ein Glaslot. Dadurch ist ähnlich wie beim Dünnfilmsensor eine hohe Langzeitstabilität garantiert. 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 eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien aus.
Die richtige Auswahl
Jede Sensorik hat ihre Vor- und Nachteile, das heißt es gibt keine Sensorik die sich generell für alle Einsatzgebiete optimal eignet. Daher ist es für die Auswahl der geeigneten Sensorik zunächst einmal wichtig, dass die Anwendung mit ihren Einsatzbedingungen möglichst genau bekannt ist. 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 und nicht diejenige, die der Lieferant gerade im Produktprogramm hat.
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