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Drucksensor Archives - STS Deutschland
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Durch aggressive Flüssigkeiten bedingte Korrosion vorbeugen

Durch aggressive Flüssigkeiten bedingte Korrosion vorbeugen

Kohlensäure und Alkohol können Messgeräte beschädigen. Ein Hersteller von automatischen Inline- und Labor-Flüssigkeitsanalysatoren hat STS damit beauftragt, einen Druckmessumformer zu entwickeln, der den schwierigen Anforderungen gerecht wird.

Wenn Druckmessumformer aggressiven Flüssigkeiten mit Alkohol oder Kohlensäure ausgesetzt werden, führt dies bei Standardmaterialien zu Korrosion. Zum Beispiel verursacht Kohlensäure eine Erhöhung der [H +] – Ionenkonzentration und es entsteht Wasserstoffkorrosion. Sobald sich die Korrosion durch die Membran des Drucksensors gefressen hat, wird er unbrauchbar. Deshalb ist gewöhnlicher Edelstahl für Anwendungen, bei denen es zu Kontakt mit Flüssigkeiten mit hohem Kohlensäuregehalt kommt, nicht geeignet.

Abgesehen davon, dass der Drucksensor für diese spezielle Anwendung in einer Abfüllanlage in hohem Masse korrosionsbeständig ist, muss er in der Lage sein, mit extrem niedrigen, Vakuum-ähnlichen Drücken fertig zu werden. Da es sich um eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie handelt, sind die Hygienestandards naturgemäss  hoch. Die Vakuum-ähnlichen Druckverhältnisse, die das Messinstrument zeitweise aushalten muss, sind entsprechend Teil eines regelmässigen Sterilisationsprozesses (die Bedingungen sind vergleichbar mit jenen im Autoklaven, wenn auch nicht ganz so extrem). Niedrige Drücke unter 0 bar können die Integrität von Drucksensoren gefährden. Das Vakuum kann dazu führen, dass die Membran von ihrer Position im Sensor abgesaugt wird. Falsche Messergebnisse oder ein komplett defekter Sensor sind die Folge.

Aufgrund dieser Anforderungen mussten wir für den Hersteller von automatischen Inline- und Labor-Flüssigkeitsanalysatoren eine auf den Druckmessumformer ATM.ECO aufbauende kundenspezifische Lösung entwickeln. Zur Sicherstellung der geforderten Korrosionsbeständigkeit haben wir uns für einen Hastelloy-Stahl entschieden. Um die Membranstabilität bei niedrigen Drücken zu gewährleisten, wurde ein spezieller Klebstoff verwendet, um die Membran zu fixieren.

Da der Drucktransmitter in dieser Anwendung unter Raumtemperaturbedingungen arbeitet, war keine spezielle Temperaturkompensation erforderlich. Die Genauigkeit von 0,25 Prozent der Gesamtskala ist ebenfalls mehr als genug für diese spezielle Anwendung. Die volle Skala reicht von 1 bis 15.000 psi und ist daher bestens für niedrige Drücke geeignet.

Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Spritzgiessmaschinen arbeiten mit höchster Präzision. Das Schweizer Unternehmen Netstal-Maschinen AG bietet leistungsstarke und hochpräzise Spritzgiessmaschinen und Systemlösungen für die Getränke-, Verspackungs- und Medizintechnikindustrien an. In den hochwertigen Anlagen sind Drucksensoren aus dem Hause STS verbaut.

 

Mit einer Kunstoffspritzgiessmaschine werden aus Kunstoffen in Granulatform fertige Kunststoffteile produziert. Eine solche Anlage besteht aus grob vereinfacht zwei Komponenten, der Spritzeinheit und der Schliesseinheit. In der Spritzeinheit wird der Rohstoff aufbereitet. Dabei wird dieser in der Regel in einer Schneckenwelle, die sich in einem Hydraulikzylinder befindet, erhitzt und homogenisiert. In der Schliesseinheit befindet sich ein Werkzeug, dass die Negativform des zu fertigenden Kunststoffteils darstellt. Die in der Schnecke aufbereitete Formmasse wird unter Druck in diese Negativform eingespritzt.

Eine Überwachung der nötigen Druckverhältnisse ist für eine Gewährleistung des fehlerfreien Spritzgiessverfahrens unerlässlich. Dafür werden die Sensoren in den Hydraulikkreis der Einspritzachsen montiert. Der spezifische Massedruck kann auf Basis des gemessenen Kammerdrücke während des Einspritzvorgangs berechnet werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Messabweichung der Sensoren sehr klein ist, da ansonsten der Kunststoffdruck zu niedrig oder zu hoch berechnet wird.

Ist der Massedruck zu hoch oder zu niedrig,

  • beeinflusst dies die eingespritzte Füllmenge,
  • kann das fertige Kunststoffteil fehlerhaft sein,
  • kann es zu Materialverlust oder Werkzeugschäden kommen,
  • kann es zum Stillstand der Anlage kommen.

Hochpräzise Anlagen wie die Spritzgiessanlagen der Firma Netstal-Maschinen AG verlangen nach Drucktransmitter, die über den geforderten Messbereich absolut zuverlässige Ergebnisse liefern. Um die beste Lösung für die hohen Ansprüche zu finden, wurden ausgiebige Tests mit Instrumenten verschiedener Hersteller durchgeführt. Es sollte dabei nicht nur die Genauigkeit der Messinstrumente, sondern auch deren Langzeitstabilität unter hohen Temperaturen geprüft werden. Am Prüfstand wurden die folgenden Messintervalle durchgeführt:

Abbildung 1: Standardisiertes Prüfverfahren zur Evaluation eines geeigneten Drucktransmitter. Nach vier, sechs und acht Millionen Druckzyklen wurden die Drucksensoren jeweils einer Temperaturbelastung (Aging – künstliche Alterung) ausgesetzt.

Der Hochpräzisions-Drucksensor ATM.1ST von STS erreichte bei diesen Herz-und-Nieren-Tests die Bestnote in den Aspekten Toleranz, Langzeitstabilität, Präzision und Genauigkeit über den gesamten Druck- und Temperaturbereich. Besonders ausschlaggebend war dabei vor allem, dass der Drucksensor den hohen Temperaturen auch über lange Zeit die kalte Schulter zeigt und sich im Niedrigdruckbereich durch eine sehr hohe Genauigkeit auszeichnet.

Abbildung 2: Auswertung eines STS Drucktransmitter über Zeit und Temperatur. OZ (Original Zustand – in Rot, strich punktiert) wurde als Ausgangslage verwendet, die ausgezogenen Linien nach jeweils einem festen Intervall, die gestrichelten Linien unter Einbezug des Alterungsprozesses gemäss dem Prüfverfahren aus Abbildung 1.  Der Wert Toleranzfeld Aufnehmer bezieht sich auf die Herstellerspezifikation (Datenblatt), die festausgezogenen Linien Toleranzfeld NM waren die Zielvorgaben der Evaluierung.  

Ein weiterer Vorteil des ATM.1ST ist, dass er sich aufgrund des modularen Aufbaus ohne Aufwand an individuelle Anwendungen anpassen lässt. Die Daten im Überblick:

  • Druckmessbereich: 100 mbar … 1000 bar
  • Relativ- und Absolutmessbereiche
  • Kennlinie: ≤ ± 0.10 / 0.05 % FS
  • Betriebstemperatur: -40 … 125°C
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (0 … 70°C)
  • Materialien: Edelstahl, Titan
Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Bergwerke und Tagebaue sind für ihre rauen Arbeitsbedingungen bekannt. Das trifft auch auf die eingesetzte Technik zu. Darum braucht es widerstandsfähige und zuverlässige Messinstrumente zur Überwachung des Grundwassers.

In Australien liegen zehn Prozent des weltweiten Kohlevorkommens. Als führender Kohle-Exporteur ist der Kohlebergbau einer der wichtigsten Wirtschaftsfaktoren des Kontinents. Die Förderung des Rohstoffs ist jedoch nicht ohne Tücken. Die Betreiber eines australischen Kohletagebaus kamen auf STS zu, da sie nach einem Drucktransmitter zur Füllstandsüberwachung in bis zu 400 Meter Tiefe suchten.

Minenarbeiten haben einen starken Einfluss auf das Grundwasser. Die den Kohlebergbau umgebenden Grundwasserleiter werden entwässert, was zum Absinken des Absenkungstrichters führt. Dieses Absinken verändert die natürlichen unterirdischen hydrologischen Bedingungen, indem Wege geringeren Widerstands geschaffen werden. Das führt dazu, dass Wasser in die offene Grube und die unterirdischen Arbeiten eindringt. Daher muss das stetig nachfliessende Wasser kontinuierlich aus dem Tagebau gepumpt werden, um eine reibungslose und sichere Förderung des Rohstoffs zu gewährleisten.

Um den Grundwasserstand und die zur Entwässerung eingesetzten Pumpen zu überwachen, brauchten die Betreiber des Koheltagebaus einen Drucktransmitter zur Überwachung des Füllstands, der ihren Anforderungen entspricht. Gefordert waren ein Druckmessbereich von 0 bis 40 bar (400 mH2O) Umgebungsdruck sowie eine Kabellänge von 400 Metern. Die bis dahin von STS angebotene Lösung, der ATM.ECO/N/EX, kam allerdings nur auf 25 bar und eine Kabellänge von 250 Metern.

Da STS aber auf kundenspezifische Druckmesslösungen spezialisiert ist, stellte diese Herausforderung keine grosse Hürde dar. Kurzerhand wurde der eigensichere Drucktransmitter für Füllstand ATM.1ST/N/Ex entwickelt, der den Druckanforderung genau entspricht und mit einem 400 Meter langen Teflonkabel ausgestattet ist. Auch die Präzision weiss mit 0,1 Prozent zu überzeugen. STS entschied sich bei der Entwicklung des neuen Drucktransmitters für ein Teflonkabel, eine versiegelte Kabelverschraubung und ein offenes Entlüftungsrohr (PUR ist dafür zu weich). Darüber hinaus gibt es ein verschraubbares Ballastgewicht, um eine gerade und stabile Messposition sicherzustellen. Die ebenfalls aufschraubbare Zugentlastung aus Edelstahl hilft dabei, die Spannung auf dem elektrischen Kabel zu entlasten. Wie es die Gerätebezeichnung bereits verrät, verfügt es über die EX-Zertifizierung für den Einsatz in explosionsgefährteten Bereichen.

ATM.1ST/N/Ex mit  Zugentlastung (links) und Ballastgewicht (rechts), jeweils verschraubbar.

Als Experte für kundenspezifische Drucktransmitter konnte STS den ATM.1ST/N/Ex in weniger als drei Wochen liefern.

Die Eigenschaften des ATM.1ST/N/Ex im Überblick:

  • Druckmessbereich: 1…250 mH2O
  • Kennlinie: ≤ ± 0.1 % FS
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (-5…50 °C)
  • Betriebstemperatur: -5…80 °C
  • Mediumtemperatur: -5…80 °C
  • Ausgangssignal: 4…20 mA
  • Materialien: Edelstahl, Titan
  • Elektronische Kompensation
  • Beliebige Prozessanschlüsse erhältlich
Druckmessung in abrasiven Medien mit Vulkollan®-Membran

Druckmessung in abrasiven Medien mit Vulkollan®-Membran

Gewöhnlich sind Drucksensoren als Edelstahl oder Titan-Ausführungen erhältlich. Damit sind alle gängigen Prüfstandsanwendungen oder Überwachungsaufgaben abgedeckt. Kommt es aber zu Kontakt mit besonders abrasiven Medien, braucht es zusätzlichen Schutz. Eine zusätzliche Vulkollan®-Membran kann den Ansprüchen oft schon genügen.

Bevor wir uns zwei konkreten Anwendungsbeispielen zuwenden, einige einleitende Worte zum Stoff an sich: Vulkollan® ist die Handelsbezeichnung für Polyester-Urethan-Kautschuk, einem Polyurethan-Kunststoff mit elastischen Eigenschaften sowie guter chemischer und mechanischer Beständigkeit. Der gummielastische Werkstoff wird in verschiedenen Varianten als Schaum, zelliger Weichkunststoff sowie als Massivkunststoff verwendet. Während die ersten beiden Varianten vorwiegend in der Molchtechnik eingesetzt werden, wird der Massivkunststoff zu Rädern, Rollen und Ummantelungen verarbeitet. Hier liegt der Temperatureinsatzbereich bei -20 bis +80 Grad Celsius.

Kontaktmedium Beton

Ein Marktführer im Bereich Spezialtiefbau kontaktierte STS auf der Suche nach einem Drucksensor, der sich bedenkenlos in einem fliessenden, abrasiven Medium einsetzen lässt. In diesem Fall ging es konkret um Beton. Der Tiefbauspezialist stellt hydraulisches Equipment her, das Löcher in die Erde bohrt und diese mit Beton auffüllt, um Pfähle zu erhalten.

Damit diese Betonpfähle eine stabile Struktur aufweisen, muss ein kontinuierlicher Betonfluss sichergestellt werden. Der Beton wird über ein Rohr in das Loch gefüllt. Nachdem das Rohr in das Loch eingeführt wurde, kann es passieren, dass der Beton das Innere des Rohrs verstopft – es kommt zu einer Unterbrechung des Vorgangs.

Um dies zu verhindern, sollte ein Drucksensor in das Innere des Rohres eingesetzt werden. Da der Beton mithilfe einer Pumpe durch das Rohr in das gebohrte Loch befördert wird, lässt sich eine Verstopfung durch einen hohen Druck im Inneren des Rohres leicht erkennen. Für diese Aufgabe kam ein Edelstahl-Drucksensor nicht in Frage, da er dem Beton nur über kurze Zeit standgehalten hätte.

Um diese Herausforderung zu meistern, schlug STS vor, einen Flanschsensor mit einer zusätzlichen Vulkollan® -Membran auszurüsten. Durch diesen Schutz erreicht der verwendete Sensor eine Lebensdauer von einem Jahr bei 5 Prozent Gesamtfehler. Die mechanische Konstruktion sowie die elektrischen Anschlüsse waren eine Sonderanfertigung, die in kurzer Zeit bereitgestellt werden konnte.

Füllstandsmessung in Trimmtanks

Ein Hersteller für Schiffskontrollsysteme trat auf der Suche nach einer zuverlässigen Lösung zur Wasserstandsmessung in Trimmtanks an STS heran.

Trimmtanks werden benutzt, um die Position des Masseschwerpunkts eines Wasserfahrzeuges zu beeinflussen. Frachtschiffe werden zum Beispiel so konstruiert, dass bei voller Beladung die Konstruktionswasserlinie mit der tatsächlichen Wasserlinie zusammenfällt. Wenn sie aber ohne Ladung in See stechen, taucht der Rumpf soweit aus dem Wasser auf, dass der Bug zu grossen Teilen aus dem Wasser ragt. Aufgrund des Maschinengewichts liegt der Rumpf zwar tiefer, unter Umständen aber nicht tief genug, damit die Propeller noch ausreichend ins Wasser eintauchen – das Schiff ist in diesem Fall also manövrierunfähig. Um dem entgegenzuwirken, werden die Trimmtanks mit Wasser gefüllt.

Die Sensoren zur Überwachung des Füllstands kommen aber nicht nur mit Salzwasser in Kontakt (dafür würden Titangehäuse ausreichen), sondern auch mit Sand, kleinen Steinen oder Muscheln. Um hier die Lebensdauer des Sensors zu optimieren, wurde dessen Membran mit einem Vulkollan®-Film überzogen.

Bild 1: Beispiel eines Drucktransmitter mit Vulkollan® Folie

Dank Vulkollan® können Drucksensoren zur Verwendung in abrasiven Medien optimiert werden. Dies gilt jedoch nicht für explosionsgefährdete Stoffe oder Säuren.

Mehr zum Thema Medienkompatibilität piezoresistiver Druckaufnehmer lesen Sie hier.

Darüber hinaus müssen Anwender bedenken, dass der zusätzliche Vulkollan®-Schutz die Präzision des Sensors negativ beeinflusst. Auch wird das Temperaturverhalten instabiler.

Daher geht nichts über eine umfassende und kompetente Beratung durch Experten bei der Suche nach einer geeigneten Druckmesslösung für abrasive Medien.

Druckspitzen in hydraulischen Anlagen: Ein Risiko für Sensorik und Anlagen

Druckspitzen in hydraulischen Anlagen: Ein Risiko für Sensorik und Anlagen

Druckspitzen kommen in praktisch allen gas- und flüssigkeitsgefüllten Rohrleitungen vor. Die in nur wenigen Millisekunden auftretenden Drücke können den Überlastdruck eingesetzter Druckmessumformer übersteigen und diese zerstören.

Bemerkt werden Druckspitzen, also kurzzeitig auftretende sehr hohe Drücke, in der Regel erst, wenn der Schaden bereits entstanden ist. Sie sind die Folge von Druckstössen und anderen physikalischen Phänomenen (Kavitation, Mikro-Diesel-Effekt), die überall dort auftreten, wo Flüssigkeiten oder Gase durch Rohre transportiert werden. Allerdings sind Druckspitzen bei Gasen aufgrund deren vergleichsweise hohen Kompressibilität weniger von Bedeutung und nur selten eine Gefahr. Im Zusammenhang mit Wasserleitungen werden oft auch die Begriffe Wasserschlag oder Wasserhammer genutzt. Mit diesen Begriffen ist letztlich eine dynamische Druckänderung der Flüssigkeit gemeint. Wenn beispielsweise ein Ventil schnell geschlossen wird, stoppt der Wasserfluss augenblicklich. Das löst eine Druckwelle aus, die das Medium entgegen der Fliessrichtung mit Schallgeschwindigkeit durchläuft und wieder zurückreflektiert wird. Es kommt binnen Millisekunden zu einem starken Druckanstieg, der Schäden an Drucksensoren und Anlagen verursachen kann (Schäden an Rohrarmaturen und Rohrbefestigungen sowie an Pumpen und deren Fundamenten etc.). Zuerst trifft es in der Regel allerdings die Messgeräte, auf die wir uns im Folgenden konzentrieren. Diese Schäden können sich in Form eines winzigen “Durchschusses” oder Verformungen auf dem Siliziumchip äussern (siehe Abbildungen 1 und 2).

Abbildung 1: “Durchschuss” als Folge einer Drucksppitze

Abbildung 2: Verformungen infolge von Druckspitzen

Übersteigt der auf den Druckmessumformer einwirkende Druck den Überlastdruck, erleidet dieser bleibende Schäden. Dabei gibt es zwei mögliche Szenarien: So paradox es klingen mag, ist im Falle einer Druckspitze die völlige Zerstörung des Messinstruments dabei die noch glimpflichste Folge. Denn Anwender bemerken in diesem Fall den Schaden sofort. Wird der Sensor infolge einer Druckspitze lediglich verformt, arbeitet er zwar weiter, liefert allerdings nur noch ungenaue Messwerte. Die finanziellen Folgen sind ungleich höher als bei einem gänzlich zerstörten Sensor.

So lassen sich Schäden durch Druckspitzen vermeiden

Der goldene Weg, um Schäden durch Druckspitzen zu verhindern, ist die Integration von Pulsationsdämpfern bzw. Druckdrosseln. Andere Mittel wie der Einsatz von Ventilen würden hier nicht zum Ziel führen, da sie zu langsam sind, um in Millisekunden auf entstehende Druckspitzen zu reagieren.

Der Sinn einer Drossel ist es, Druckspitzen so abzufedern, dass sie nicht mehr den Überlastdruck des Druckmessumformers überschreiten und diesen nicht mehr beschädigen können. Zu diesem Zweck wird die Drossel in den Druckkanal vor die Sensorzelle platziert. Dadurch treffen Druckspitzen nicht mehr direkt und ungebremst auf die Membran, da sie sich erst an der Drossel vorbeischlängeln müssen:

Abbildung 3: Druckkanal mit Druckdrossel

Aufgrund des sehr guten Schutzes vor Druckspitzen ist der Einsatz von Druckdrosseln die beste Variante. Dennoch ist sie nicht ohne Tücken. Denn besonders in Medien mit Fest- und Schwebstoffanteil kann es durch Verkalkungen und Ablagerungen zu einer Blockierung des Druckkanals kommen. In der Folge kommt es zu einer Verlangsamung des Messsignals. Werden Drosseln also in entsprechenden Anwendungen eingesetzt, sollte hier regelmässig gewartet werden.

Ein ergänzender Schutz vor Druckspitzen kann abweichend zum Standard durch eine höher ausgelegte Überdruckfestigkeit geleistet werden. Ob das ratsam ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab: Sind hohe Genauigkeitswerte gefragt, können diese bei sehr hohen Überduckfestigkeiten im Verhältnis zum Messbereich unter Umständen nicht mehr erzielt werden.

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