Unter Druck

Konstruktion und Qualität von Sensoren bestimmen nicht nur die Qualität des Regelverhaltens von Maschinen und Anlagen. Sie beeinflussen entscheidend die Lebensdauer und den Wartungsaufwand für die gesamte Regelungstechnik.

Steuer- und Regelelektronik erhalten einen weiter steigenden Anteil an Funktionalität und Wert von Maschinen und Anlagen. Deren wartungsfreie und langfristig zuverlässige Funktion ist ein Kriterium bei der Beurteilung ganzer Antriebssysteme. Ausfälle von Sensoren ziehen häufig kostenträchtige Stillstände nach sich.

Neben der ständigen Verbesserung der eigentlichen Meßcharakteristik arbeiten die Sensorhersteller an der weiteren Miniaturisierung, vor allem aber an der weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit.

Bagger und Heizung haben wenig miteinander zu tun. Sollte man meinen, stimmt aber nicht. In beiden kommen eher unscheinbare Komponenten zum Einsatz, deren Konstruktion und Qualität über Funktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit entscheiden.

Den Häuslebauern unter uns sind unter dem Namen Danfoss wohl am ehesten die Thermostatventile an Heizkörpern ein Begriff. Sie schaffen mit einem Dreh ein gleichbleibend angenehmes Wohnklima. Noch mehr im Verborgenen, aber mit mindestens ebenso entscheidendenden Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Gesamtanlage wirken Steuer- und Regelkomponenten für die Mobilhydraulik des gleichen Herstellers.

Mit zunehmender Automatisierung steigt die Bedeutung der Komponenten, mit denen industrielle Prozesse gemessen, geregelt und überwacht werden. Besonderer Wert muß auf Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit dieser Meß- und Regelkomponenten gelegt werden. Der Ausfall der Gesamtanlage durch ein fehlerhaftes Bauteil kann Folgekosten in vielfacher Höhe der Kosten des eigentlichen Bauteils nach sich ziehen.

Sensoren, die den Mediendruck messen und in ein elektrisches Signal umwandeln, werden in vielen Industriebranchen bereits seit Jahren standardmäßig eingesetzt. Gerade diese Drucksensoren sind jedoch oft heftigen Druckstößen bzw. Flüssigkeitsschlägen ausgesetzt, die auf Dauer negative Auswirkungen auf die Güte des Meßergebnisses haben. Die Folgen reichen von verfälschten Meßergebnissen bis hin zu Totalausfällen.

In Labor- und Praxistests wurden diese Phänomene eingehend untersucht, mit dem Ziel eine neue Baureihe von Druckmeßumformern zu entwickeln, die auch bei extremen Druckspitzen dauerhaft exakte Meßwerte liefern. Eine neue Baureihe soll auch unter Extrembedingungen über einen langen Zeitraum genaue und zuverlässige Meßergebnisse liefern.

Druckmeßumformer wandeln einen anliegenden Druck in ein proportionales elektrisches Ausgangssignal um. Man unterscheidet zwischen piezoresistiven, metallischen DMS und kapazitiven Sensoren. Bei allen Verfahren wird durch den Druck eine Änderung der aufgebrachten Widerstände hervorgerufen. Um ein analoges elektrisches Signal zu erhalten sind Temperaturkompensation und Linearisierung sowie eine Verstärkung des Signals erforderlich. Als Standard-Ausgangssignal hat sich auch hier ein Strom von 4 bis 20 mA in Zweileitertechnik durchgesetzt, weil hier der Leitungswiderstand keinen Einfluß auf das Signal hat.

Problem: Druckschläge verhindern

Einsatzmöglichkeiten für Drucksensoren bieten beispielsweise die verschiedenen Segmente der Mobilhydraulik. Bei Baugeräten, wie Bagger, oder Planierraupen sowie mobilen Kranen wird eine Drucküberwachung des Hydrauliksystems mit dem Ziel einer Lastüberwachung und -begrenzung durchgeführt. Gerade in solchen Anwendungen können aufgrund schnellschließender Ventile oder Pumpen enorme Druckspitzen und Flüssigkeitsschläge entstehen. Die Höhe der Druckstöße können ein Vielfaches des Arbeitsdrucks erreichen. Sie kommen bei niedrigen und hohen Betriebsdrücken gleichermaßen vor.

Entgegen der weitverbreiteten Annahme tritt das Phänomen jedoch nicht auf der Eingangsseite von Ventil oder Pumpe sondern auf der Austrittsseite auf. Bei Meßversuchen erkennt man den eigentlich gefährlichen Effekt, der zur Zerstörung der Membran eines Drucksensors führen kann: Aufgrund der kinetischen Energie des Mediums führt das plötzliche Schließen eines Ventils zu einem pulsierenden Druckanstieg vor und hinter dem Ventil. Speziell auf der Ventilaustrittsseite können extreme Druckspitzen entstehen. Hier wird kurzfristig sogar ein Druckabfall bis auf 0 bar gemessen. Der folgende Flüssigkeitsrückschlag führt unweigerlich dazu, daß eine Flüssigkeitswelle mit gewaltiger Kraft gegen die Membran des Drucksensors schlägt. Diese Flüssigkeitsschläge können zur Deformation und Zerstörung der Membran führen.

Um den Druckmeßumformer vor Druckspitzen zu schützen, wurde als Meßverfahren die piezoresistive Technologie mit einem monolithischen Siliziumchip als Meßsensor gewählt. Eine Membran aus säurefestem Edelstahl schützt den Sensor vor aggressiven Medien. Silikonöl überträgt den zu messenden Druck auf den Chip, in den vier identische Widerstände integriert und als Wheatstone-Brücke verbunden sind (Siliziumdehnungsmesser). Das Besondere an dieser Technologie ist die hohe Überlastsicherheit: Im Gegensatz zu anderen Meßtechnologien, wie dem DMS-Verfahren in Dünnschichttechnik, beträgt die Überdrucksicherheit der monolithischen Siliziumstruktur bis zum 10- oder 20fachen des maximal spezifizierten Meßbereichs. Dies prädestiniert das piezoresistive Meßverfahren für Anwendungen in Hydrauliksystemen.

Schleichender Verschleiß an anderen Komponenten

Eine anderes Problem durch Unterdruckbildung hinter Ventilen oder Pumpen ist Kavitation. Das ist die Bildung und der darauf folgende Zusammenbruch dampf- oder gasgefüllter Blasen in Flüssigkeiten. Aufgrund des Unterdrucks kann aus dem Medium gelöste Luft ausfallen; der Siededruck des Mediums wird erreicht bzw. unterschritten und durch Verdampfung bilden sich Gasblasen. Bei wieder steigendem Druck fallen die Blasen in sich zusammen (implodieren) und es entsteht der eigentliche Kavitationseffekt:

· Unmittelbar hinter der Engstelle werden kleine Partikel aus der Rohrwandung herausgerissen, so daß es zu Materialversprödung und Werkstoffzerstörung kommt.

· Durch den hohen Druck hinter der Engstelle und das Komprimieren der Luft können hohe Temperaturen bis hin zur Selbstentzündung des Gemischs auftreten.

Generell sollten Stellventile und Pumpen so ausgelegt werden, daß kavitationsfreier Betrieb des Systems gewährleistet ist. Ist dies nicht gegeben, muß das Entstehen der Gasblasen mit ihren negativen Effekten an der Membran des Druckmeßumformers verhindert werden. Dafür gibt es eine ebenso einfache wie effektive Lösung: Eine im Druckanschluß integrierte Düse (Dämpfungsdüse) verengt den Durchlaß zur Meßmembran. Die Düse mit 0,3 Millimeter Durchmesser verhindert, daß Gasblasen zur Membran vordringen und Schäden verursachen können.

Die Gefahr der Düsenverstopfung ist nach Angaben des Herstellers ¿ speziell bei aufrechter Montage des Meßumformers ¿ gering. Selbst auf die Ansprechzeit hat die Düse keine negativen Auswirkungen. Für gebräuchliche Medienviskositäten, beispielsweise 100 cSt bleibt die Ansprechzeit unter 4 Millisekunden.

Die neuen Druckmeßumformer sind in den unterschiedlichsten Ausführungen und Konfigurationen lieferbar. Die umfassen Typen mit verschiedenen Ausgangssignalen und Druckbereichen von 0 bis 1 bar bis hin zu 0 bis 600 bar. Alle üblichen Druckanschlüsse können realisiert werden.

Sensoren für hohe Temperaturen

Verfeinerte Messungen, sehr schnelles Ansprechen auf Änderungen der Meßgrößen und breite Meßbereiche der Sensoren erlauben immer schnellere Regelungen. Ein Problem sind jedoch hohe Umgebungstemperaturen. Das erschwerte bisher den Einsatz im Motorenbau und anderen Hochtemperaturbereichen. Die bisher eingesetzten Meßtechniken wie die SOS-Technologie, Laser- und Quarzmessungen erwiesen sich für den Einsatz in größeren Serien meist als zu teuer, zu empfindlich oder zu kompliziert im Betrieb.

Für den Einsatz in Diesel- und Gasmotoren wurde eine Hochtemperatur-Meßzelle in Dünnschichttechnik entwickelt, die trotz der ungünstigen Umgebungsbedingungen hohe Lastwechselfestigkeit (größer 108) aufweist. Gleichzeitig können Drücke und Temperaturen bis 350 °C direkt im Brennraum gemessen werden. Damit lassen sich die Verbrennungsvorgänge permanent regeln und optimieren. Schäden durch ¿Klopfen¿ des Motors lassen sich so sicher vermeiden.

Neben der Technologie des Sensors ist die Anordnung der Auswerteelektronik ein Geheimnis der Brauchbarkeit der Technologie in der Praxis: Die Meßzelle im Brennraum ist über ein temperaturbeständiges Kabel mit der Elektronik verbunden. Die ist, da nicht mit extremen Temperaturen beaufschlagt, mit kostengünstigen Standard-Bausteinen bestückt.

Für Messungen bei geringeren Temperaturen, beispielsweise bis 200 °C oder 125 °C, stehen wiederum kostengünstigere Versionen zur Verfügung.

Derzeit nutzen Hersteller stationärer Motoren wie MAN, Caterpillar, MTU, Sulzer and andere die neuen Möglichkeiten der Zylinderdruck-Überwachung. Ob solche Systeme künftig in größeren Stückzahlen auch in Motoren von Fahrzeugen oder mobilen Arbeitsmaschinen zum Einsatz kommen, ist derzeit nicht sicher zu beantworten. Die Fahrzeughersteller experimentieren in verschiedene Richtungen.

Integration verlangt gemeinsame Sprache

Sicher hingegegen ist, daß die fortschreitende Integration der Sensor-, Steuer- und Regelungstechnik weitergeht. Integration verlangt Standardisierung der Kommunikation, eine einheitliche Sprache. Die scheint in verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus auf den CAN-Bus hinauszulaufen. Selbst die Hochtemperatursensoren sind wunschgemäß mit CAN-Schnittstelle lieferbar.

Auch die Mobilhydraulik scheint sich auf diesen Standard einzuschießen. Land- und Baumaschinen kommen heute ohne ¿Drahtverhau¿ aus, den die immer aufwendigeren Hydrauliksysteme früher benötigten. Der einfach zu verlegende CAN-Bus steuert eine Vielfalt von Funktionen über nur ein Kabel.

Voraussetzung für eine feinfühlige Ansteuerung der Regelventile (auch hier spielt das Problem der Druckschläge wieder eine Rolle) ist das exakte Abstimmen von Hydraulik und Elektronik. Dann lassen sich mit dynamischen Regelungsalgorithmen der jeweiligen Situation angepaßte Bewegungen realisieren.

Ein besonders anschauliches Beispiel ist die elektro-hydraulische Lenkung. Längst ist die Lenkhilfe Standard bei Traktoren, Baggern und anderen Maschinen. Je nach Lenkwinkel, Geschwindigkeit und Untergrund hilft die Elektronik, das Steuern einfach und sicher zu machen. Damit sind die Möglichkeiten aber noch nicht ausgeschöpft: Das System kann jedes Rad individuell ansprechen, um beliebige Fahrzeugbewegungen zu ermöglichen. Dazu muß der Fahrer nichts tun, als das gewünschte Programm auswählen. Trotzdem bleicht der Verkabelungsaufwand auf ein Minimum beschränkt. Alle Komponenten sind per CAN-Bus an die Steuerung angebunden.

Die ist das ¿Gehirn¿ der gesamten Steuer- und Regelungstechnik. Speziell für die Mobilhydraulik wurde die Steuerung ESX entwickelt. Sie kann mehrere unabhängige oder verknüpfte Aufgaben in Echtzeit bearbeiten. Proportionalventile lassen sich ¿ ohne Verstärker- und Regelkarten - direkt anschließen. Das Aluminiumgehäuse bietet Schutz gegen elektromagnetische Störungen, gegen Wasser (IP67) und mechanische Beanspruchungen. X-Konformität ist gegeben. Für sicherheitsrelevante Anwendungen stehen Versionen bis Anforderungsklasse 4 zur Verfügung.

Sensoren für die Wirtschaftlichkeit

Sensoren und die damit verbundenen elektronischen Bausteine kosten Geld. Aber sie sind es auch, die Antriebssysteme kostengünstiger, leistungsfähiger, wartungsärmer und variabler einsetzbar machen. Der Markt ist in Bewegung. Neue Entwicklungen können vorhandene Systeme kostengünstiger und neue Konstruktionen erst möglich machen. Ein regelmäßiger Blick auf den Markt lohnt sich.

Meinolf Droege / Juli 1999