Deprecated: Hook wp_smush_should_skip_parse is deprecated since version 3.16.1! Use wp_smush_should_skip_lazy_load instead. in /home/xepoxenu/www/new.stssensors.com/wp-includes/functions.php on line 6078
Piezoresistiver Drucksensor Archives - STS Deutschland
Deprecated: Hook wp_smush_should_skip_parse is deprecated since version 3.16.1! Use wp_smush_should_skip_lazy_load instead. in /home/xepoxenu/www/new.stssensors.com/wp-includes/functions.php on line 6078
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
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.

Der Dieseleffekt in hydraulischen Anlagen: Materialschäden sind die Folge

Der Dieseleffekt in hydraulischen Anlagen: Materialschäden sind die Folge

Wie es der Name schon verrät, nimmt der Begriff Dieseleffekt auf den Verbrennungsprozess in einem Dieselmotor Bezug. Zu beobachten ist er in hydraulischen Anlagen. Neben Druckspitzen sind Ölalterung, Ablagerungen und die Zerstörung von Dichtungen die Folgen.

Der Dieseleffekt tritt als Folgeerscheinung von Kavitationen auf. Daher wollen wir zunächst die Entstehungsbedingungen von Kavitationen in Hydrauliksystemen betrachten, bevor wir uns dem Dieseleffekt zuwenden.

Kavitation in Hydrauliksystemen

Hydrauliköle enthalten abhängig von Gas, Temperatur, Flüssigkeit und Druck gelöste Luft. Eine Kavitation ist letztlich eine Luftausscheidung aus dem Hydrauliköl. Dazu kommt es, wenn das Öl einem bestimmten Druck oder einer Scherbewegung ausgesetzt ist. Das kommt in der Praxis an Saugleitungen, Pumpeninnenräumen, bei Querschnittverengungen und an Stellen eines Hydrauliksystems vor, wo Pulsationen auftreten. Wenn die in Bewegung befindliche Ölmasse reisst, bilden sich Hohlräume, in die feinste Luftbläschen freigesetzt werden.

Der Dieseleffekt

Wenn die als Folge von Kavitation entstandenen Luftblasen, die auch Ölpartikel enthalten, einem hohen Druck ausgesetzt sind, kommt es zu einer drastischen Temperaturerhöhung in den Bläschen. Diese starke Temperaturerhöhung führt zum Dieseleffekt, also zu Verbrennungen im hydraulischen System. Dieser Verbrennungsprozess läuft binnen Millisekunden ab.

Die Folgen von Kavitation und Dieseleffekt

Kavitation kann eine Vielzahl von negativen Folgen haben, darunter zählen Materialzerstörungen an Pumpgehäusen und Überdruckventilen, das Absaugen von Dichtelementen wie O-Ringen, eine veränderte Durchflusscharakteristik, Wirkminderung bei Pumpen und Getrieben durch Füllungsverluste, Geräusche, Druckstösse mit Druckspitzen, die den Systemdruck überschreiten sowie der Dieseleffekt, der sich in Form von Ölalterungen, Verbrennungsrückständen sowie zerstörten Dichtungen äussert.

Die Folgen von Kavitation und Dieseleffekt sind nicht immer sofort ersichtlich. Oftmals werden sie erst bemerkt, wenn es schon zu spät ist und Reparaturbedarf an den hydraulischen Anlagen besteht. Druckspitzen als Folge von Kavitation und Dieseleffekt können auch zur Überwaschung im System montierte Drucktransmitter beschädigen. Dabei wird durch die plötzliche Druckerhöhung im System die Membran des Druckmessumformers „durchschossen“ (mehr dazu lesen Sie hier).

In Anbetracht der gravierenden Folgen von Kavitation und Dieseleffekt sind entsprechende Massnahmen zur Vermeidung dieser Phänomene zu ergreifen. Dazu gehören eine ausreichende Füllung in den Saugräumen, geringe Strömungsgeschwindigkeiten sowie die Vermeidung scharfer Kanten, Umlenkungen und pulsierender Drücke.

Mud Logging: Drucktransmitter müssen Bestleistung bringen

Mud Logging: Drucktransmitter müssen Bestleistung bringen

Mud Logging bezeichnet Analyseverfahren, die während Bohrprozessen an der Bohrspülung durchgeführt werden. Dafür braucht es auch leistungsstarke und vor allem widerstandsfähige Drucktransmitter.

Der Begriff setzt sich aus dem englischen Wörter für Schlamm („mud“) und Erfassung („logging“) zusammen und bietet damit bereits eine recht gute, wenn auch unvollständige, Umschreibung für den involvierten Prozess: Mud Logging Spezialisten (auch Surface-Logging Specialists) werden von Bohrunternehmen beauftragt, detaillierte Aufzeichnungen über ein Bohrloch zu erstellen. Die Spezialisten analysieren die während des Bohrvorgangs an die Oberfläche gebrachten Informationen, weshalb viele Firmen auch den Begriff Surface Logging Services (SLS) verwenden. Der Bohrschlamm ist dabei die wichtigste Komponente, da er die Information von der Tiefe des Bohrlochs zur Oberfläche trägt, wo die in dem zirkulierenden Bohrmedium enthaltenen Bohrkleinteile („cuttings“) untersucht werden.

Die Analysen bilden ein tiefenabhängiges Protokoll zur Bestimmung der Tiefenposition von Kohlenwasserstoffen, zur Identifizierung der Bohrlochlithologie und zur Überwachung von Erdgas, das während der Bohrung in den Bohrschlamm eindringt. Weitere Ziele des Mud Logging sind die Bestimmung des Porendrucks und der Porosität sowie der Durchlässigkeit der gebohrten Formation, das Sammeln, Überwachen und Bewerten von Kohlenwasserstoffen, die Beurteilung der Herstellbarkeit von kohlenwasserstoffhaltigen Formationen sowie die Protokollierung von Bohrparametern. Diese Daten sind wichtig, um sichere sowie wirtschaftlich optimierte Bohrungen zu gewährleisten.

Das Mud Logging findet in Echtzeit in mobilen Laboren statt, die an der Bohrstelle eingerichtet werden. Die Echtzeitdaten werden direkt zur Bohrsteuerung verwendet. Mud Logging Dienste werden in der Regel von Spezialisten durchgeführt, die von der Bohrfirma beauftragt wurden. STS stellt einigen dieser Anbieter Drucktransmitter zur Verfügung.

Drucksensoren in Bohrprozessen: Wiederstandsfähigkeit ist der Schlüssel

Um den Bohrprozess zu überwachen, montieren Mud Logging Spezialisten verschiedene Sensoren an der Bohrvorrichtung. Die Erkennung von geringfügigen Verlusten des Bohrrohrdrucks erfordert eine sehr hohe Genauigkeit. Die Rückmeldung muss ohne Zeitverzögerung erfolgen, um mit Unregelmässigkeiten verbundene Risiken und Kosten zu vermeiden.

Bohrstellen sind harsche Umgebungen und können die eingesetzte Sensorik daher stark beanspruchen. Die zwei wichtigsten Faktoren in dieser Hinsicht sind der Bohrschlamm selbst und die Vibrationen, die bei Bohrvorgängen zu erwarten sind.

Abbildung 1: ATEX zertifizierter Drucktransmitter für Mud-Logging Anwendungen 

Um diesen harten Bedingungen gerecht zu werden, stellt STS Unternehmen, die Oberflächen-Logging-Services anbieten, den Drucktransmitter ATM/ ECO/EX mit speziell angefertigtem Gehäuse zur Verfügung. Der ATEX-zertifizierte Drucktransmitter ist für hohe Druckbereiche optimiert. Die bei Bohrvorgängen auftretenden Schwingungen beeinflussen in erster Linie die Verbindungsstelle zum Prozessanschluss. STS löste das Problem durch Doppelschweißen der Verbindung. Darüber hinaus ist das Edelstahlgehäuse dicker als in normaler Ausführung (26,5 mm). Abgesehen von den hohen Druckbereichen und den starken Vibrationen stellt der Bohrschlamm eine weitere Herausforderung dar, indem der Druckkanal möglicherweise verstopft wird. Um Verstopfungen zu vermeiden, haben wir den Kanal etwas breiter gemacht (10 mm). Normalerweise kann ein breiterer Druckkanal die Druckmembran gefährden. Da bei Anwendungen dieser Art jedoch weitgehend statische Drücken auftreten, ist dies kein Problem.

Mud Pulse Telemetry: MWD-Daten mittels Drucktransmitter übertragen

Mud Pulse Telemetry: MWD-Daten mittels Drucktransmitter übertragen

Bei der hydraulischen Datenübertragung braucht es empfindliche Drucksensoren, die gleichzeitig sehr hohen Drücken standhalten. Dies trifft besonders auf den Einsatz in Measurement While Drilling (MWD)-Anwendungen zu.

Im Rahmen von Measurement While Drilling (MWD)-Anwendungen werden Daten während Bohrungen erhoben. Besonders bei Offshore-Richtbohrungen ist MWD eine Standard-Anwendung geworden. Die Echtzeit-Datenerhebung ist essenziell, damit der Bediener des Bohrers diesen in die anvisierte Zone steuern kann. Zu diesem Zweck werden verschiedene Sensoren am Bohrkopf montiert, die Aufschluss über die Bohrumgebung in Echtzeit geben sollen. Dabei kommen Neigungs-, Temperatur-, Ultraschall- und auch Strahlungssensoren zum Einsatz. Diese verschiedenen Sensoren sind physisch oder digital miteinander verbunden und an einer Logikeinheit angeschlossen, die die Informationen in binäre Ziffern umwandelt. Diese Daten aus dem Bohrloch werden über Mud Pulse Telemetry („Schlammimpulstelemetrie“) an die Oberfläche übermittelt. Abgesehen von der Überwachung und Steuerung des Bohrvorgangs werden sie für weitere Aspekte genutzt, darunter:

  • Informationen zum Zustand der Bohrkrone
  • Protokollierung der geologischen Beschaffenheit der penetrierten Erdschichten
  • Erstellung von Leistungsstatistiken zur Identifizierung möglicher Verbesserungen
  • Risikoanalyse für zukünftige Bohrungen

Bei Mud Pulse Telemetry handelt es sich um ein binäres Kodierungsübertragungssystem, das mit Flüssigkeiten verwendet wird. Dies wird durch ein Ventil erreicht, dass den Druck des Bohrschlamms innerhalb des Bohrstrangs variiert und somit die Aufzeichnungen der am Bohrkopf montierten Sensorik in Druckimpulse umwandelt. Über den Bohrschlamm gelangen diese Pulsationen an die Oberfläche. Die Druckimpulse werden an der Oberfläche von einem Drucktransmitter gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird an ein Lesegerät übermittelt und digitalisiert. Mittels Computern können die übermittelten Informationen rekonstruiert werden.

STS stellt Anwendern in der Offshore-Richtbohrung analoge Drucktransmitter zur Verfügung, die bei der Mud Pulse Telemetry eingesetzt werden. Die Anforderungen an die eingesetzte Sensorik sind hoch: Sie müssen extrem empfindlich sein, um bereits kleinste Druckunterschiede sicher zu registrieren. Zur gleichen Zeit müssen die Sensoren Drücken von bis zu 1.000 bar standhalten. Denn es sind bei sehr tiefen Bohrungen sehr hohe Drücke nötig, um den Bohrkopf anzutreiben. Auch die zur Mud Pulse Telemetry an der Oberfläche verwendeten Drucktransmitter sind diesen Kräften ausgesetzt.

Abbildung 1: Analoger Drucktransmitter für den Mud Pulse Telemetry Einsatz

Abgesehen von der hohen Empfindlichkeit sind auch sehr schnelle Reaktionszeiten gefragt, um eine gute Datenkommunikation in Echtzeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte das Messinstrument möglichst rauscharm sein, um verfälschte Messergebnisse weitestgehend auszuschliessen. Besonders die Schlammpumpen verursachen in Bohranwendungen das meiste Signalrauschen. Auch der Antrieb des Bohrers ist eine Störquelle. Aus diesem Grund sind analoge Sensoren mit einem 4 mA … 20 mA Ausgangssignal die beste Lösung für die Mud Pulse Telemetry.

Abonnieren Sie unserenNewsletter

Tragen Sie sich in unsere Mailingliste ein, um die neuesten Nachrichten und Updates von unserem Team zu erhalten.

Sie haben sich erfolgreich angemeldet!