Mechanische Messgrößen:

Produktübersicht zur SENSOR+TEST 2015


Er gibt einen Vorgeschmack auf Produkte, Dienstleistungen und Trends, die auf der diesjährigen SENSOR+TEST präsentiert werden.


Die Liste der mechanischen Messgrößen reicht von Druck / Differenzdruck, Kraft / Gewicht über mechanische Spannung und Drehmoment bis zu Dichte oder Viskosität. Zu den meisten physikalischen Größen werden Besucher auf der SENSOR+TEST eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren finden. Insbesondere für Druckmessungen gibt es keine Fachmesse mit einem weitreichenderen Produkt- und Herstellerspektrum. Hier ist genau der Platz, um Spezialitäten und nicht Alltägliches zu entdecken.


Druck, Differenzdruck

So bietet beispielsweise ein Hersteller einen miniaturisierten Absolutdrucksensor mit einer Auflösung von 0,024 mbar und einem Messbereich von 10 bis 1200 mbar. Im QFN-Gehäuse befinden sich neben der hochlinearen Silizium-Druckmesszelle noch ein A/D-Interface-Chip und ein integrierter Temperatursensor mit einer Auflösung von 0,01 °C. In Navigationsgeräte eingebaut, kann die Druckmesszelle zusammen mit einem Beschleunigungssensor bei Ausfall des GPS-Signals die Personenortung in größeren Gebäudekomplexen, Tunneln, unterirdischen Anlagen oder Hochhäusern übernehmen.


Ein keramisch-kapazitiver Sensor misst Drücke vom Vakuum bis 16 bar und hat nach Herstellerangaben eine hohe Präzision und sehr gute Langzeitstabilität. Der Sensor kommt mit verschiedenen analogen und elektrischen Ausgängen und zahlreichen standardisierten Druckanschlüssen daher. Piezoelektrische Miniatur-Drucksensoren messen aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit auch kleinste Druckpulsationen im Bereich von einigen Millibar oder dynamische Druckverläufe bis 250 bar.


Vor allem aus den Reihen der auf der SENSOR+TEST immer recht vielseitigen chinesischen Hersteller kommen diverse Meldungen zur Weiterentwicklung ihrer Prozesstransmitter. Viele bieten neben den Standard-Analogsignalen eine RS485-Schnittstelle oder Möglichkeiten der Parametrierung via HART-Protokoll. Einige Geräte besitzen ein OLED-Display und einen Modbus-Anschluss für den direkten Anschluss an einen PC oder eine speicherprogrammierbare Steuerung. Die eingesetzten Technologien reichen von piezoresistiven Siliziumsensoren für die Druckmessung in flüssigen und gasförmigen Medien bis zu Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen, bei manchen Sensoren sind zusätzlich Temperatursensoren integriert. Temperaturkompensation und Nullpunktkorrektur sind auf Dickschichtleiterplatten integriert. Die Geräte sind teilweise skalierbar, mit Grenzwertschaltern und mit Fehlerdiagnose-Funktionen ausgestattet. Sie sind in 316L-Edelstahl-Gehäusen gekapselt, eigensicher und erfüllen Ex-Schutz-Standards wie Ex ib IIC T4 und besitzen UL-Zulassungen. Als typische Einsatzgebiete kommen u.a. Petrochemie, Metallurgie, Bergbau, Energieerzeugung, Wasser-/ Abwasserversorgung, Medizin- und Klimatechnik sowie Werkzeugmaschinenbau vor. Mit einem Aseptik-Anschluss in IP68 und einer Oberflächenrauigkeit von weniger als 0,4 µm eignen sich die Drucktransmitter auch für Anwendungen in der Pharmazie und der Lebensmittelindustrie. Ein chinesisch-amerikanischer Hersteller liefert Bluetooth-fähige MEMS-Drucksensoren für die Schwerindustrie im Edelstahlgehäuse sowie vorgefertigte Sensormodule und Keramiksensoren für Spritzgussmaschinen.


Natürlich ist auch die ganze Bandbreite von Standard-Druckaufnehmern auf der SENSOR+TEST zahlreich vertreten. Sie reicht von vollständig verschweißten Bauformen mit Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen und außergewöhnlicher Beständigkeit gegen Stöße und Schwingungsbelastungen sowie Temperaturen bis +400 °C bis zu den weitverbreiteten Drucktransmittern mit Silizium-Sensoren in ölgefüllten Kapseln und Standard-Ausgangssignalen, jeweils für Absolut-, Relativ- oder Differenzdruck oder mit Wheatstone-Brücken mit Messbereichen von 0 bis 2500 bar sowie hochohmigen auf Nanopartikel basierenden Dehnungsmessstreifen mit einer hohen Sensivität. Für Reinraumanwendungen stehen Sensoren mit Edelstahlgehäusen und Standardanschlüssen in DN25 zur Verfügung. Für Druckgussmaschinen gibt es Hochtemperatur-Drucksensoren.


Ein M10-Anschlussgewinde mit 22 mm Durchmesser und 25 mm Länge hat einen Kombi-Sensor, der mit nur einem Messstutzen gleichzeitig Überdruck bis 25 bar und Temperaturen bis +150 °C misst. Damit kann man Getriebe im Motorsport genauso überwachen wie Autoklaven und Dampfsterilisatoren in der Medizintechnik. Der piezoresistive Drucksensor kommt ohne Ölfüllung aus und verfügt über eine sehr hohe Genauigkeit und Langzeitverhalten.


Schalter und Drucksensoren auf der Basis extrem dehnbarer, dielektrischer Elastomersensoren (DES) messen Verformungen, Kräfte und Drücke. Sie lassen sich bis zu 100 % dehnen und können selbst in Strukturen integriert werden, die starken Verformungen ausgesetzt sind, beispielsweise als ortsauflösende Sitzbelegungssensoren. In Verbindung mit hochsensitiven piezoelektrischen Schichten können in die Folien auch kapazitive Felder integriert werden. Sie dienen dann als Näherungssensoren. Durch die Kombination beider Sensorprinzipien werden Funktionen schon bei einer bloßen Annäherung von Mensch oder Objekt vor einem tatsächlichen Kontakt ausgelöst. Dies ist besonders im Bereich der Mensch-Maschine-Kommunikation interessant.


Für Nass/Nass-Differenzdruckmessungen z.B. an kontaminiertem Wasser, Lösungsmitteln oder aggressiven Gasen sind auf der SENSOR+TEST sehr kompakte Transmitter zu finden, die für Einsätze in der Lebensmittelindustrie oder in chemischen-pharmazeutischen Produktionsprozessen konzipiert sind. Dort stehen sie für die Überwachung von Filtern, Füllstands- oder Durchflussmessungen zur Verfügung. Ein besonders kleiner und leichter Differenzdrucksensor aus Titan ist medienkompatibel zu den verschiedensten Gasen, Flüssigkeiten und aggressiven Substanzen.


Ein Mikromanometer misst den Differenzdruck im Bereich von 0 bis 2 hPa bei Luftgeschwindigkeiten kleiner 20 m/s. Damit eignet sich das Gerät speziell für Emissionsmessungen im Bereich Umweltschutz. Für eine hohe Genauigkeit sorgt ein lageunabhängiger Sensor mit sehr guter Langzeitstabilität. Die automatische Nullung über ein eingebautes Magnetventil lässt auch Langzeitmessungen zu. Derselbe Hersteller bietet auch ein batteriebetriebenes Durchfluss-Messgerät für Luft nach dem kalorimetrischen Messprinzip an. Es liefert direkt ein Normlitersignal. Eine Korrektur von Druck und Temperatur ist somit nicht mehr notwendig. Neu sind die umschaltbaren Zweibereichsgeräte mit 200/ 20 Nl/min und 20/ 2 Nl/min. Der Druckabfall ist durch den großen Querschnitt im Messrohr äußerst gering. Das lässt genaue Messungen vor allem bei kleinen Systemdrücken zu. Die Gesamtgenauigkeit ist kleiner 1,5 % v.E.


Schließlich werden auch die reinen Sensorelemente und -systeme auf der Messe präsentiert: beispielsweise Kapseln aus Edelstahl mit Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen , anschweißbare Kapseln mit piezoresistivem Sensor in Ölfüllung oder in MEMS-Technologie gefertigte Drucksensoren. Für Einsatztemperaturen bis zu +300 °C gibt es verschiedene piezoresistive Hochtemperatur-Druckwandler auf Basis des Silicon-on-Insulator(SOI)-Prinzips. Sie haben eine hohe Polungsstabilität und eine Kennlinienabweichung kleiner 0,1 % Full Scale bei Nenndruck.


Kraft, Gewicht

Als Kraftaufnehmer der besonderen Art misst eine piezoelektrische Polymerfolie hochfrequente Kräfte und Drücke. Die Folie lässt sich direkt in Autoreifen integrieren und mit einer miniaturisierten Datenverarbeitungseinheit ergänzen. Da alle dynamischen Kräfte über die Kontaktfläche zwischen Reifen und Antriebsoberfläche vorliegen, können sämtliche für die Fahrsicherheit, Dynamik und Komfort relevanten Informationen mit derselben Folie gemessen werden. Das skalierbare, hochauflösende Drucksensor-Array kann auf jede beliebige Oberfläche appliziert werden und feinste Luftströme, dynamische Oberflächendrücke von Flüssigkeiten genauso ermitteln wie Stöße oder Drücke.


Ein Kraftsensor mit speziellen Dehnungsmessstreifen aus einer Platin-Nickel-Legierung hat eine um den Faktor 2 höhere Empfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Dehnungsmessstreifen aus Konstantan. Ein Miniaturkraftaufnehmer mit integriertem Überlastschutz misst Druck- und Zugkräfte im Bereich von 2,5 N bis 100 N mit hoher Genauigkeit. Zur Erfassung der Kräfte kommen Dünnfilm-DMS zum Einsatz. Die Kraftsensoren sind wahlweise mit DMS-Ausgang oder mit integriertem Verstärker (Ausgangssignal 4 bis 20 mA) ausgeführt. Die Übertragung der Messdaten kann digital über Messmodule erfolgen, an die bis zu sechs zeitsynchrone Dehnungsmessstreifen angeschlossen werden können. Der Ethernet-basierte Feldbus EtherCAT eignet sich speziell für Anwendungen, die eine präzise Synchronisierung aller Signale besser 1 ?s und effizientes Protokollhandling erfordern. Alternativ steht noch ein CANopen-Bus-Anschluss zur Verfügung.


Thematisch liegen die Wägezellen sehr nah an den Kraftaufnehmern. Auch zu diesem Anwendungsfeld findet sich ein breites Angebot an Standard- und Spezialmesszellen auf der Messe. Zu letzteren gehört ein Low-Profile-Scherstab, der für eine Nennlast von 500 kg nur 19,1 mm hoch ist. Übertragen werden die Daten mit einem Transmitter für Hutschienenmontage über Profinet- oder CANopen-Bus.


Drehmoment

Ein motorisierter Drehmomenttester ermöglicht eine Qualitätskontrolle von Halb- und Fertigprodukten wie Regler und Ventile. Abhängig vom Steuerbefehl des Motors bewegt der Messkopf, ausgestattet mit Drehmoment-Sensor und Encoder, den Prüfling und misst dabei Drehmoment und Winkel. Ein weiteres System desselben Herstellers misst das Startdrehmoment auf Elektroschraubern und Motorwellen im Messbereich von 6 Nm bis 150 Nm bei einer Drehzahl bis zu 5.000 U/min. Eine Statistikfunktion berechnet den Mittelwert und die Standardabweichung des aktuellen Lots.


Aus nur drei passiven Komponenten entsteht einer der einfachsten mechanischen Kraftsensoren. Der Sensor misst berührungslos Drehmomente, auch unter rauen Betriebsbedingungen. Er nutzt das magnetostriktive Prinzip, um die wirkenden Kräfte aufzulösen. Das hierfür benötigte Magnetfeld wird vom Sensor selbst aktiv erzeugt und ist unempfindlich gegenüber magnetischen Einstreuungen. Die Erfassungsbaugruppe hat die Größe eines Zuckerwürfels. Anwendungsbereiche sind E-Bikes, Fahrzeuggetriebe, Elektrowerkzeuge und Testeinrichtungen für Fahrzeugmodule, Windkraftanlagen und Gasturbinen.


Speziell für Zapfwellen im land- und forstwirtschaftlichen Bereich entwickelte ein Hersteller eine einfache und kostengünstige Drehmoment- und Winkelerfassung. In den Messbereichen von 3.000 Nm bis 5.000 Nm beträgt die Genauigkeit 0,5 %. Die komplette Sensorik ist IP65 geschützt und kann sowohl mit 12 V als auch mit 24 V direkt am Bordnetz betrieben werden. Etwas exotisch sind die hochgenauen Messlenkräder vom selben Hersteller, die Winkelreset und Drehmoment von Straßenfahrzeugen messen und per Flanschmontage zwischen Lenkrad und Lenksäule befestigt werden können.


Bilder: R. Eberhard, messekompakt.de, EBERHARD print & medien agentur gmbh

Quelle: AMA Service

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