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DER KONSTRUKTEUR 6/2019

DER KONSTRUKTEUR 6/2019

- SENSORTECHNIK

- SENSORTECHNIK INTEGRATION AUF KLEINSTEM RAUM Mit steigenden technischen Möglichkeiten werden Maschinen und Anlagen immer kompakter, leistungsfähiger und intelligenter. Bauteile und Komponenten müssen entsprechend konzipiert werden, vor allem einfach und platzsparend zu integrieren sein. Bei Drucksensoren zum Beispiel können Entwickler auf unterschiedliche Ausbaustufen zurückgreifen, vom reinen Messelement bis zum fertig abgeglichenen Sensormodul. www.DerKonstrukteur.de „GEMEINSAM NEUES DENKEN“ Martina Klein, Stv. Chefredakteurin SPECIAL Der Bedarf an Druckmessungen auf kleinstem Raum nimmt zu. Standard-Drucksensoren, sprich: Drucktransmitter, erreichen dabei rasch die Grenzen des Möglichen, vor allem in der OEM-Industrie. Deren Unternehmen kooperieren daher mit Messtechnik-Herstellern wie Wika, um individuelle Lösungen für die jeweilige Applikation zu erarbeiten. Bei der Drucksensorik stehen diverse Technologien zur Verfügung. Piezoresistive Lösungen spielen in diesem Bereich eine dominierende Rolle. Dabei handelt es sich zum Beispiel um Metall-Dünnfilm- oder Keramik-Dickschicht-Sensoren, auf die eine Wheatstonesche Messbrücke aufgebracht wird, oder um Piezo-Chips, die unter Druckbeaufschlagung ihren Widerstand ändern. Bei der Miniaturisierung der Messstelle setzt primär die Größe des Messelements selbst die untere Grenze, doch bewegt sich der Unterschied zwischen den Typen innerhalb weniger Millimeter. Gegebenenfalls muss für eine notwendige Elektronik und/oder die elektrische Verbindung zusätzlicher Platzbedarf einkalkuliert werden. MECHANIK Die mechanische Integration des Sensorelements richtet sich gleichermaßen nach der zu Grunde liegenden Technologie und der Ausgestaltung von Gehäuse und Druckanschluss. Anwender sparen Platz, wenn sie z. B. eine klemmbare und über O-Ring abgedichtete Version des Drucksensors verwenden, anstatt einer Ausführung mit Einschraubgewinde, bei der noch zusätzlicher Spielraum für das Werkzeug zum Einschrauben bedacht werden muss. Sie müssen allerdings darauf achten, dass die Dichtungen – ob Metall oder Elastomer – den Anforderungen der Applikation standhalten. Bei Keramiksensoren sind generell Elastomerdichtungen zu verwenden. Einbau und Verpressung des O-Rings müssen nach Vorgaben des Sensorherstellers erfolgen, um eine Verspannung des Sensors und damit eine fehlerhafte Messung zu vermeiden. Der Keramik- In Zeiten der Vernetzung geht es auch für Konstrukteure zunehmend darum, die richtigen Partner zu finden. Denn die Ansprüche der Applikationen verlangen häufig nach individuellen Lösungen, die es gemeinsam zu entwickeln gilt. Ein Sensorspezialist, der sich mit den Wünschen und Nöten von OEMs auskennt und in den verschiedenen Branchen der industriellen Produktion zu Hause ist, hört sich nach einem idealen Partner an. Wenn man sich dann noch frühzeitig abstimmt und offen in Workshops zusammenarbeitet, Wünsche formuliert, gezielt die ausgetretenen Denkpfade verlässt und auch mal verrückte Ideen äußert, dann klappt’s auch mit der Integration und vielleicht sogar mit der Innovation! 56 DER KONSTRUKTEUR 6/2019

Sensorkörper selbst ist aufgrund seiner Materialeigenschaften auch für abrasive und korrosive Medien sehr gut geeignet. Das Elastomer der Dichtung muss demzufolge entsprechend gewählt werden. ELEKTRIK Alle Messoptionen mit einem reinen Drucksensor-Element haben eines gemeinsam: Sie verursachen einen relativ hohen Integrationsaufwand. Das betrifft über den mechanischen Aspekt hinaus vor allem die Elektrik: Jedes einzelne Sensorelement muss vermessen und über die Auswerteelektronik abgeglichen werden. Wer einen solchen Sensorabgleich innerhalb der Produktion nicht vornehmen möchte, dem bieten sich Drucksensor-Module an, die schon ein normiertes und fertig abgeglichenes Signal liefern. Diese erleichtern nicht nur den Einbau innerhalb der Produktherstellung. Die Messkomponenten können später rasch und ohne großen Aufwand ersetzt werden, falls dies einmal nötig werden sollte. Je nach Anforderung stehen für derartige Drucksensor-Module diverse Ausgangssignale zur Verfügung. In der Industrie weit verbreitet und bewährt sind nach wie vor Analogsignale wie 1...10 V, 0,5…4,5 V ratiometrisch oder 4…20 mA. Das Stromsignal ist im Vergleich zu den anderen besonders unanfällig gegenüber Störungen. Es kommt daher besonders bei Übertragungen mit einer längeren Leitung oder für Applikationen in einem widrigen EMV-Umfeld in Frage. Neben den analogen gibt es mittlerweile zunehmend digitale Signale. So hat zum Beispiel das ursprünglich zur Datenkommunikation auf Leiterplatten entwickelte Signal I²C seinen Weg in die Welt der Industriesensoren gefunden. Unter bestimmten Voraussetzungen – z. B. ausreichender EMV-Schutz und nicht zu lange Signalleitung – bietet dieses Signal einige Vorteile: Der Sensor kann im Vergleich zu einem Analogmodul mit einem deutlich geringeren Stromverbrauch betrieben werden, was speziell bei Anwendungen mit Batteriebetrieb notwendig ist. Zugleich lässt sich eine extrem kurze Einschaltzeit realisieren. I²C-Sensoren bieten auch einen zusätzlichen Nutzen: Im Datenprotokoll kann auf Wunsch neben einem Druckwert auch eine Information über die Medientemperatur ausgegeben werden. Für die Sensor-Integration ist neben der Wahl des passenden Ausgangssignals eine kleine und bei den Anschlüssen flexible Bauweise wichtig. Spätestens an diesem Punkt wird deutlich, dass neben der Abmessung auch die umfangreiche Funktionalität eines Standard- Drucksensors den Integrationsanforderungen konstruktiv und wirtschaftlich zuwiderläuft. Beispielsweise ist die Notwendigkeit einer hohen IP-Schutzart oder eines EMV-Schutzes zu hinterfragen, wenn der Sensor ohnehin in ein dichtes Gehäuse eingebaut und über kurze Wege an eine weiterführende Elektronik angeschlossen werden soll. Da ein Drucksensor-Modul genauso wie ein Drucksensor-Element als Komponente einzuordnen ist, muss es auch nicht zwingend eine CE-Konformitätserklärung aufweisen. Denn die CE- Kennzeichnung erfolgt in der Regel erst für das fertige Endprodukt. HARMONIE …der Elemente Eine gute Konstruktion ist wie eine schöne Komposition. Nur aus dem harmonischen Zusammenspiel der Elemente entsteht ein wahres Meisterwerk. Normalien Gute Teile >> gutes Design. AUF DEN PUNKT GEBRACHT Bei der Integration einer Druckmessung ist eine enge Abstimmung zwischen Sensorlieferant und Anwender unabdingbar, um die optimale Lösung zu finden. Anpassungen auf beiden Seiten sind notwendig, um von einem Wunschzettel aus eine Messlösung auf die Beine zu stellen, die den Anforderungen entspricht und darüber hinaus für die digitale Zukunft gerüstet ist. Wika setzt dabei auf Value-Innovation-Workshops. In diesen Zusammenkünften wird gemeinsam mit den Anwendern herausgearbeitet, welche Spezifikationsdetails wirklich relevant sind und welche Lösung dementsprechend technisch und wirtschaftlich die sinnvollste ist. Bild: WIKA www.wika.de www.halder.de

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