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Ausgewählte Ausgabe: 10-11-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Dynamische Druckerfassung in extremer Umgebung

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 proportional 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.

Für hohe Temperaturen gerüstet

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.

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.

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.

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Autoren

 Kristina Klimbt

BD|Sensors GmbH, Thierstein
Kristina.Klimbt@bdsensors.de

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