Sensoren und
Ladungsverstärker

für folgende Applikationen

Turbine

CP505

Allgemeines

Für einen Einsatz in Gasturbinen müssen Sensoren extrem temperaturbeständig ausgelegt werden. So dürfen keine „normalen“ Metalllegierungen oder Kunststoffe verbaut sein. Die Piezocryst verwendet daher ausschließlich hochtemperaturfeste Metalllegierungen, Edelmetalle, Saphirelemente sowie Messelemente aus einkristallinem Galliumphosphat. Auch die Kabel sind extremen thermischen Belastungen ausgesetzt, teilweise können die Temperaturen auf bis zu 500°C steigen, die Verwendung konventioneller, kunststoffisolierter Kabel ist somit ausgeschlossen. Piezocryst verwendet so genannte Hardline-Kabel, also Metallrohre aus hochtemperaturfesten Nickelbasis-Legierungen, in denen die Leiter in verdichtetem Keramikpulver eingebettet sind. Durch diese Maßnahmen können die Sensoren (inklusive Kabel) bei maximalen Einsatztemperaturen von bis zu 700°C verwendet werden.    

Features

  • Einsatz bis zu 700°C (!) Sensortemperatur  
  • Höchste Signalqualität
  • Vibrations- und torsionsminimiertes Design
  • Beschleunigungskompensation serienmäßig verfügbar
  • Hochtemperatur-Kabel
Expert Info

Für den Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 400°C spielt der Isolationswiderstand aller verwendeten Komponenten, insbesondere aber auch der Messelemente, eine maßgebliche Rolle. Neben Isolationselementen, die aus Saphir gefertigt werden kommen Messelemente aus GaPO4 zum Einsatz. Dieses bietet im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Materialien substanzielle Vorteile, da bei höheren Temperaturen der Innenwiderstand um ein Vielfaches höher ist. Damit werden die entstehenden Ladungen auch bei hohen Temperaturen sicher zum Ladungsverstärker transportiert, ein Signalverlust durch unzureichende Isolation wird vermieden und die Messsignale werden unverfälscht wiedergegeben. Der Anwender kann somit präziser und bei niedrigeren Frequenzen zuverlässig messen. 

Um ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen werden transversale GaPO4-Messelemente eingesetzt. Eine besondere Herausforderung besteht darin, auf dem thermisch anisotropen Kristallmaterial dauerfest Elektroden aufzubringen, die den Kristall flächig kontaktieren. Hierzu hat Piezocryst unterschiedliche dauerfeste, hochtemperaturbeständige Beschichtungen entwickelt, die von Edelmetallen bis hin zu leitenden Keramiken reichen. Für Letztere wurde Piezocryst mit dem Forschungspreis für Nanowissenschaften des Landes Steiermark ausgezeichnet.

Um unter den Beschleunigungseinflüssen einer Turbine sicher messen zu können, wurden die Sensoren besonders beschleunigungsarm ausgelegt. In radialer Richtung weisen die Sensoren durch den sehr steifen Aufbau nahezu keine Beschleunigungsempfindlichkeit auf. In axialer Richtung wurde durch eine Reduzierung der relevanten Massen ebenfalls ein weitgehend beschleunigungsunempfindliches Messverhalten realisiert, für besonders herausfordernde Messaufgaben kann durch eine aktive Beschleunigungskompensation diese Beschleunigungsempfindlichkeit noch weiter reduziert werden. Hier wird im eigentlichen Drucksensorgehäuse zusätzlich ein Beschleunigungssensor verbaut, der so ausgelegt ist, dass er exakt das noch vorhandene Beschleunigungsfehlsignal kompensiert – der Sensor liefert somit das „reine“ Drucksignal. 

Verbrennungsmotoren

Allgemeines

Zur Optimierung der Verbrennung in einem Motor werden die Drücke im Zylinder mit höchster Genauigkeit gemessen. Eine besondere Herausforderung an die Drucksensoren stellt dabei die Kompensation des Thermoschocks dar, der mit jedem Verbrennungsvorgang einhergeht. Dazu werden die Membranen der Sensoren aus besonders ausgewählten Hochleistungslegierungen mit engsten Fertigungstoleranzen hergestellt. 

Weiterhin ist für ein optimales Temperaturverhalten (also keine Fehlsignale auch bei massiven Temperaturänderungen) die präzise Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von isotropen Gehäusematerialien und anisotropen Kristallelementen erforderlich. Hierzu kooperiert Piezocryst mit externen Werkstoffexperten, um die existierenden Materialkenntnisse ständig weiterzuentwickeln und die geeignetsten Materialpaarungen auszuwählen.

Features

  • Optimiertes Thermoschockverhalten
  • Verformungssicheres Design (Double shellTM
  • Integrierte Sensorerkennung (SAW Chip)
  • Sichere Messkampagnen durch geringste Serienstreuung
  • Beste Haltbarkeit aufgrund von Hochleistungswerkstoffen
Expert Info
GH14D

Unter hohen Temperaturgradienten kommen die herausragenden Materialeigenschaften der einkristallinen GaPO4-Messelemente voll zur Geltung (Kristalltechnologie): Es entstehen keine Fehlsignale durch Temperaturveränderungen, zudem ermöglicht der hohe Innenwiderstand des GaPO4 eine unverfälschte Wiedergabe der Druckkurve auch bei hohen Temperaturen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis der Sensoren weiter zu optimieren, wird der transversale Piezoeffekt verwendet; hiermit wird die Empfindlichkeit der Sensoren optimal auf den erforderlichen Druckbereich angepasst. 

Für höchste Datenqualitäten ist es außerdem erforderlich, dass Verformungen des Zylinderkopfes keine mechanische Verformung der eigentlichen Messelemente verursachen. Dazu wird ein so genanntes double shellTM Gehäuse verwendet. Es besteht aus zwei ineinander geschachtelten Gehäusen, bei denen das äußere Verformungen des Zylinderkopfes aufnimmt und das innere Gehäuse kräftefrei gelagert ist. Dadurch „spüren“ die Messelemente nur das reine Drucksignal ohne mechanische Fehler, das Messsignal ist weitestgehend frei von mechanischen Störungen.

Diese Technologien sind in unterschiedlichen Baugrößen und „Packaging“-Varianten erhältlich um einen optimalen Einbau unter unterschiedlichsten Anforderungen zu ermöglichen. So sind spezielle Glühstift- oder Zündkerzensensoren Lösungen, die auf einen Einbau direkt im Kühlwassermantel ausgelegt sind erhältlich. Ebenso existieren spezielle Lösungen für thermisch höchstbelastete Motoren, bei denen durch Wasserkühlung oder frontdichtenden Einbau die Temperaturbelastung gezielt reduziert und damit die Lebensdauer der Sensoren auch unter härtesten Umgebungsbedingungen substanziell verbessert wird.

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Qualitätsversprechen bei Piezocryst

Qualität kann nur gewährleisten, wer sie ständig überprüft. Und bereit ist, Erreichtes zu verbessern und Neues zu hinterfragen. Nur so entstehen Effizienz und Qualität. Genau so arbeitet Piezocryst. Jeden Tag. Versprochen.

Hochdruck

GP6

Allgemeines

Die Empfindlichkeit der am Markt verfügbaren Sensoren ist durch die niedrigere Empfindlichkeit des verwendeten Quarzes teilweise nicht ausreichend. Die Piezocryst-Sensoren sind mit GaPO4-Kristallen ausgerüstet. Sie zeigen das bekannte, zuverlässige Verhalten von Quarz, sind jedoch doppelt so empfindlich. Für die Sensoren mit einem Messbereich bis zu 2.000 bar bedeutet dies eine signifikante Leistungsverbesserung gegenüber dem gegenwärtigen Stand der ballistischen Messtechnik und eine deutliche Verbesserung der Datenqualität. Bei Sensoren mit einem Messbereich von 6.000, respektive 8.000 bar, äußert sich dies in einem deutlich verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis.

Features

  • Höchste Empfindlichkeit
  • Sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis
  • Geringste Hysterese durch extrem steifen Aufbau
  • Verformungssicheres Design (Double ShellTM
Expert Info

Für eine perfekte Sensorfunktionalität unter höchsten Drücken ist ein extrem steifer Aufbau der Sensoren erforderlich, um jegliche Hysterese durch Verformungen und die damit verbundenen Rückstellkräfte zu verhindern. Die Piezocryst-Hochdrucksensoren beruhen auf einem speziellen laststabilen Kristallschnitt im Longtudinaleffekt, der minimalste Abhängigkeiten des Sensorsignals vom Druckbereich besitzt. Dazu verfügen die Sensoren über eine spezielle Double ShellTM Konstruktion, die den Sensor unabhängig von Verformungen der Einbauumgebung macht. Zusätzlich muss die Membran durch die Extremanforderungen an Druckfestigkeit und Thermoschockunabhängigkeit aus Hochleistungslegierungen mit engsten Toleranzen gefertigt werden, um Lebensdauer und Signalgüte sicherzustellen. Ein weiterer wesentlicher Parameter für die Performance ist die Abdichtung, hier hat Piezocryst ein spezielles Dichtungssystem entwickelt, das auch unter höchsten Druckgradienten und mechanischen Schocks sicher abdichtet und gleichzeitig die resultierenden Kräfte so verteilt, dass das Double ShellTM Gehäuse keinen Störeinflüssen ausgesetzt ist; das Resultat dieser Anstrengungen sind Messergebnisse in einer neuartigen Datenqualität. 

Die Produktpalette umfasst Drucksensoren für die Messbereiche bis 2.000, 6.000 und 8.000 bar, alle diese Sensoren verfügen über ein M10-Gewinde; damit sind Messungen unterschiedlicher Druckbereiche innerhalb einer Bohrung möglich.

Mobiles Indizieren

Allgemeines

Durch die Montage am Indizierhahn eines Großmotors können die Indiziersensoren enormen Temperaturbelastungen ausgesetzt sein, da sie in Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen stehen, aber keinen Kontakt zum Kühlwassersystem des Motors besitzen. Um diesen Anforderungen zu entsprechen sind die Piezocryst-Sensoren mit temperaturstabilen, einkristallinen GaPO4- Messelementen ausgestattet. Diese Messelemente verfügen über einen extrem hohen Innenwiderstand und ermöglichen auch bei hohen Temperaturen und niedrigen Drehzahlen Messungen in höchster Signalgüte – Bedingungen unter denen andere piezoelektrische Materialien bereits kaum kompensierbare Fehlerbilder zeigen. Die Piezocryst-Sensoren sind mit einem Kühlkörper ausgestattet, der sicherstellt, dass die Ladungsverstärkerelektronik nicht überhitzt. Damit wird es beispielsweise möglich, die Sensoren länger auf dem Indizierhahn zu belassen und direkt die Ergebnisse der manuellen Motoreinstellung zu verfolgen. 

Features

  • Höchste Signalgüte auch bei niedrigen Motordrehzahlen
  • Überhitzungssicheres Design
  • Zusätzliche Sicherheit durch Leak ProofTM
  • Extrem robuste Ausführung
Expert Info
GO51S

Der Ladungsverstärker ist zudem speziell an die Anforderungen des mobilen Indizierens angepasst, er verfügt über eine spezielle Logik die ein extrem schnelles Erkennen der einzelnen Verbrennungszyklen ermöglicht und so die erforderliche Messzeit deutlich minimiert.

Durch die Vielzahl der Montage- und Demontagevorgänge müssen die Sensoren mechanisch sehr robust ausgelegt sein. Sie verfügen über eine massive Knebelmutter passend für einen Thomson Adapter; die empfindliche Membran der Indiziersensoren ist rückversetzt angeordnet, um mechanische Beschädigungen zu verhindern. Sollte sie dennoch einmal beschädigt werden, sind die Sensoren zusätzlich mit dem patentierten Leak ProofTM Sicherheitsdesign ausgestattet, das verhindert, dass der Bediener den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt werden könnte. Darüber hinaus sind die Sensoren mit einem hochwertigen metallarmierten Kabel und einem thermisch weitgehend entkoppelten Handgriff für eine leichte Handhabung ausgestattet. 

Großmotoren

GO31J

Allgemeines

Die besondere Herausforderung in der Überwachung und Steuerung von Großmotoren ist es, bei einer sehr guten Datenqualität eine Lebensdauer von mehreren Jahren unter den herausfordernden Bedingungen eines Großmotors zu gewährleisten. Die Sensoren sind dabei nicht nur hohen Druckstößen, sondern auch zeitgleich hohen Belastungen durch Hitzeschocks sowie enormen Beschleunigungen ausgesetzt. Die Piezomesstechnik ist für diese extremen Anforderungen besonders vorteilhaft, da sie im Gegensatz zu anderen Sensortechnologien wie beispielsweise Dehnmessstreifen (DMS) praktisch wegfrei misst. So sind durch die extrem steifen GaPO4 Kristalle die maximalen Wege vielfach im Bereich eines Mikrometers oder deutlich darunter – wohingegen DMS vergleichsweise weiche Verformungskörper benötigen, die oftmals die 10fache Wegstrecke im Betrieb benötigen. Diese geringeren Verformungen der piezoelektrischen Messtechnik ermöglichen unter den harten Umgebungsbedingungen eine substanziell geringere Materialermüdung und damit einen deutlichen Zuwachs an Lebensdauer und Ausfallsicherheit.

Features

  • Extreme Langlebigkeit
  • Höchste Signalgüte
  • Leak ProofTM Sichheitsdesign
  • Exakte Signalwiedergabe durch hochwertige Ladungsverstärker
Expert Info

Die Großmotorensensoren sind mit einer Vielzahl von Technologien und ausgefeilten Konstruktionsdetails ausgestatten, von denen etliche patentiert oder zum Patent angemeldet sind. So sind neben der bewährten Double ShellTM Konstruktion, die Verformungen des Zylinderkopfes kompensiert oder einem innenliegendes Vorspannelement, die besonders robusten und temperaturstabilen GaPO4 Messelementen verbaut. Alternative piezoelektrische Materialien verfügen im Vergleich zum GaPO4 über deutlich reduzierte Innenwiderstände. Werden solche Kristallelemente in Sensoren eingesetzt, geht eine Vielzahl von Ladungen durch den niedrigen Isolationswiderstand „verloren“, die Messignale solcher Sensoren unterliegen systematisch einer drehzahlabhängigen Verzerrung. Demgegenüber gestattet der auch bei hohen Temperaturen extrem hohe Isolationswiderstand der GaPO4 Kristallelemente, gerade auch bei langsam laufenden 2-Takt Motoren eine richtige und unverzerrte Wiedergabe des Drucksignals.

Darüber hinaus sind die Piezocryst-Sensoren mit einem einzigartigen Leak ProofTM Sicherheitsdesign ausgestattet. Dies ist so konzipiert, dass auch im unwahrscheinlichen Fall eines Membranbruchs ein Sensorteil die Funktion eines Sicherheitsventils übernimmt und im Sensor den Zylinder gegen die Umgebung abdichtet. Unter allen Umständen wird ein Austreten heißer Verbrennungsgase verhindert, das Bedienpersonal und der Motor werden geschützt, ungeplante Motorstopps werden vermieden.

Die Sensoren sind mit einem hochwertigen Ladungsverstärker ausgestattet. Dieser Ladungsverstärker „erkennt“ das Drucksignal und kompensiert automatisch jegliche Drift. Durch diese aufwändige Technologie werden die Schwächen einfacher Ladungsverstärker, die nur mit einem Rückkoppelwiderstand ausgestattet sind vermieden, die Signale werden exakt wiedergegeben. 

Materialtechnologie bei Piezocryst

Nur wer sein Material genau kennt, kann es effizient und zielsicher einsetzen. Edelmetalle, Einkristallmaterialien und andere Hochleistungswerkstoffe: Piezocryst kennt die spezifischen Charakteristika und versteht sie optimal zu kombinieren.

Kunststoffspritzguss

Allgemeines

Im Kunststoffspritzguss werden teilweise Temperaturen von bis zu 400°C und Drücke von bis zu 2.000 bar erreicht, mit denen die Schmelze in die Werkzeuge gepresst wird. Werkzeuginnendrucksensoren müssen diesen Bedingungen standhalten, gleichzeitig sind für moderne Multikavitäten-Werkzeuge sehr kleine Sensoren erforderlich. Um unterschiedlichen Montagesituationen optimal zu entsprechen, sind die Sensoren in Steck- und Schraub-Varianten in unterschiedlichen Größen erhältlich. Unabhängig von der Bauform sind alle Sensoren mit einem trennbaren Kabel ausgestattet und können auch im Fall einer Kabelbeschädigung problemlos weiterverwendet werden.

Features

  • Präzise Messungen auch mit Miniatur-Sensoren
  • Geringste Serienstreuung
  • Automatische Empfindlichkeitserkennung
Expert Info
6006BB

Die Piezocryst Sensoren verfügen über einen präzise gefertigten Stempel, der den Schmelzedruck auf die Kristall-Messelemente überträgt. Dieser Stempel wird von einer Schutzhülse umschlossen, die Bohrungstoleranzen im Spritzgusswerkzeug weitgehend kompensiert. Diese Technologie ist ebenso ein geschütztes Verfahren unseres Kooperationspartners Priamus System Technologies wie eine automatische Empfindlichkeitserkennung, die in die Sensoren integriert ist. Hierzu wird bei der Fertigung die Empfindlichkeit jedes einzelnen Sensors bestimmt und klassifiziert. Entsprechend einzelner Klassen werden die Sensoren mit einem Präzisionswiderstand ausgestattet, d.h. die Sensoren verfügen über eine Empfindlichkeitserkennung, die untrennbar mit dem Sensor verbunden ist und die auch im Fall eines Kabeltauschs die richtige Zuordnung der individuellen Empfindlichkeit garantiert.  

Industrielle Prozesskontrolle

Slimline Kraftsensor

Allgemeines

Entscheidend für den Einsatz von Sensoren in der industriellen Prozesskontrolle sind die Reproduzierbarkeit des Sensorsignals und die Sensorlebensdauer. Idealerweise haben die Sensoren eine Lebensdauer, die der kompletten Einsatzzeit einer Maschine oder zumindest dem Intervall einer großen Revision entspricht - die Sensoren sollen im Normalbetrieb keinesfalls getauscht werden.

Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen sind die Piezocryst-Sensoren so ausgelegt, dass der Kraftnebenschluss in den Sensoren weitestgehend minimiert ist, das heißt, die zu messenden Kräfte fließen nahezu vollständig durch die Piezoelemente. Damit werden unerwünschte Nebeneffekte wie Hysterese oder Kriechen minimiert, die Sensoreigenschaften hängen weitgehend von den piezoelektrischen Kristallelementen ab. Durch die geschickte Auswahl der verwendeten Piezomaterialien und Messelementgeometrien können somit nahezu perfekte Messeigenschaften erzielt werden. 

Features

  • Höchste Signalgüte
  • Patentierter Aufbau minimiert unerwünschte Störeinflüsse
  • Höchste Linearität und enorme Überlastsicherheit
  • Überlegene Standzeiten
Expert Info

Neben den speziellen Messelementen verwendet die Piezocryst einen patentierten halbschaligen Aufbau der Kraftmessringe, der den konventionellen asymmetrischen Aufbau durch einen symmetrischen ersetzt. Dadurch werden die Sensoren noch unempfindlicher gegen unerwünschte Einflüsse, ebenso lassen sich extrem flache Sensoren mit einer enormen Überlastfähigkeit realisieren. 

Durch die hohe Steifigkeit der Piezoelemente sind die Verformungen auch unter Krafteinwirkung minimal, typischerweise entstehen Verformungen im µm Bereich – diese sind deutlich niedriger als bei alternativen Messmethoden; ebenso wird die für viele Anwendungen entscheidende Kraft-Weg-Information durch die Verwendung von Piezosensoren nicht beeinflusst. Die geringen Verformungen sind letztendlich dafür verantwortlich, dass ein möglicher Verschleiß auf ein Minimum reduziert wird, das Resultat sind überlegene Standzeiten.

Durch die Kombination von ausgefeiltem Design mit modernsten Fertigungstechnologien entstehen extrem lineare Sensoren die über enorme Überlastfähigkeiten verfügen. So lassen sich mit Sensoren die einen Maximallastbereich von 50.000 N aufweisen, Kräfte im mN-Bereich noch zuverlässig auflösen. Damit werden Messungen geringster Kräfte selbst bei hohen mechanischen Vorbelastungen problemlos möglich.  

Ladungsverstärker

Allgemeines

Piezocryst verfügt über eine eigene Ladungsverstärkertechnologie, die kunden- und applikationsspezifisch angepasst werden kann. Die verfügbaren Standardverstärker reichen von kosteneffektiven Lösungen mit fixen Eingangsbereichen bis hin zu hochwertigen Multifunktions-Ladungsverstärkern, die mehrere automatisch umschaltende Verstärkungsbereiche besitzen. Die Verstärker sind frei parametrierbar und verfügen über einen Analog- sowie einen Ethernet-Ausgang. Die Analog-Ausgänge besitzen eine Bandbreite von 30kHz, sodass auch schnelle Prozesse in hoher Qualität sauber abgebildet werden können, die Digital-Ausgänge besitzen eine Bandbreite von einem kHz, sodass ein kontinuierliches Datenstreaming beispielsweise für Monitoring- oder Steuerungszwecke sichergestellt ist. 

Features

  • Höchste Linearität durch automatisch umschaltende Verstärkungsbereiche
  • Ethernet ermöglicht Datenstreaming
  • Automatische Signalerkennung
Expert Info

Diese Verstärker werden vermehrt in der industriellen Prozesskontrolle eingesetzt und ermöglichen über den Ethernetausgang das Monitoring von Fertigungsmaschinen (Industrielle Prozesskontrolle). Darüber hinaus sind Verstärker verfügbar, die sich selbstständig auf bestimmte Kurvenformen aufsynchronisieren und die über eine automatische Driftkompensation verfügen. Solche Ladungsverstärker sind ideal geeignet, um beispielsweise in Motoren die Verbrennung zu überwachen und zu regeln. (Großmotoren)