Im Bereich der industriellen Automatisierung und Prozesssteuerung spielen Prozesstransmitter eine zentrale Rolle. Diese Geräte sind dafür verantwortlich, verschiedene Prozessvariablen wie Druck, Temperatur, Durchfluss und Füllstand genau zu messen und diese Messungen dann in elektrische Signale umzuwandeln, die leicht an Steuerungssysteme übertragen werden können. Das Herzstück jedes Prozesstransmitters ist das Sensorelement, die Schlüsselkomponente, die direkt mit der Prozessvariablen interagiert und den Messvorgang initiiert. In diesem Blog werde ich mich als Lieferant von Prozesstransmittern mit den verschiedenen Materialien befassen, die für Sensorelemente in Prozesstransmittern verwendet werden, und mit ihren Eigenschaften.
Piezoelektrische Materialien
Piezoelektrische Materialien sind eine beliebte Wahl für Sensorelemente in Drucktransmittern, insbesondere für solche, die bei dynamischen Druckmessungen verwendet werden. Diese Materialien haben die einzigartige Eigenschaft, bei mechanischer Belastung oder Druck eine elektrische Ladung zu erzeugen. Dieses Phänomen ist als piezoelektrischer Effekt bekannt.
Eines der am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien ist Quarz. Quarz ist ein kristallines Material, das hervorragende piezoelektrische Eigenschaften, hohe Stabilität und geringe Hysterese aufweist. Es hält hohen Temperaturen und Drücken stand und eignet sich daher für eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie quarzbasierte Drucksensoren zur Messung des Drucks in Motorzylindern, Kraftstoffeinspritzsystemen und Reifendrucküberwachungssystemen eingesetzt.
Ein weiteres piezoelektrisches Material ist Bleizirkonattitanat (PZT). PZT ist ein Keramikmaterial mit einem hohen piezoelektrischen Koeffizienten, was bedeutet, dass es bei einer bestimmten mechanischen Belastung eine relativ große elektrische Ladung erzeugen kann. Dadurch sind PZT-Sensoren hochempfindlich und eignen sich für Anwendungen, bei denen kleine Druckänderungen erfasst werden müssen, beispielsweise in medizinischen Geräten und in Luft- und Raumfahrtanwendungen.
Materialien für Dehnungsmessstreifen
Dehnungsmessstreifen sind eine weitere Art von Sensorelementen, die üblicherweise in Drucktransmittern verwendet werden. Ein Dehnungsmessstreifen ist ein Gerät, das die Dehnung oder Verformung eines Objekts misst, wenn es einer Kraft oder einem Druck ausgesetzt ist. Der Dehnungsmessstreifen besteht aus einem dünnen Draht oder einer dünnen Folie, die auf die Oberfläche des Messobjekts geklebt wird. Bei der Verformung des Gegenstandes verformt sich auch der Draht oder die Folie, wodurch sich ihr elektrischer Widerstand ändert. Durch Messung der Widerstandsänderung kann die Dehnung und damit der Druck bestimmt werden.
Das am häufigsten für Dehnungsmessstreifen verwendete Material ist Metall, insbesondere Konstantan. Konstantan ist eine Legierung aus Kupfer und Nickel, die einen hohen spezifischen Widerstand und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist. Das bedeutet, dass sich sein Widerstand linear mit der Belastung ändert und relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit werden Konstantan-Dehnmessstreifen häufig in industriellen Druckmessumformern eingesetzt.
Neben metallischen Dehnungsmessstreifen werden in manchen Anwendungen auch Halbleiter-Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Halbleiter-DMS bestehen aus Materialien wie Silizium oder Germanium und weisen eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf als Metall-DMS. Allerdings reagieren sie auch empfindlicher auf Temperaturänderungen und weisen eine geringere Linearität auf, was ihre Genauigkeit in manchen Anwendungen einschränken kann.
Kapazitive Materialien
Kapazitive Sensorelemente basieren auf dem Prinzip der Kapazität, also der Fähigkeit eines Kondensators, elektrische Ladung zu speichern. Ein Kondensator besteht aus zwei leitenden Platten, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind. Wenn sich der Abstand zwischen den Platten oder die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Platten ändert, ändert sich auch die Kapazität des Kondensators.
Bei einem kapazitiven Drucktransmitter ist das Sensorelement ein Kondensator, dessen Kapazität sich als Reaktion auf den gemessenen Druck ändert. Das am häufigsten verwendete Material für das Dielektrikum in kapazitiven Drucksensoren ist ein dünner Film aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Diese Materialien verfügen über eine hohe Dielektrizitätskonstante und hervorragende mechanische Eigenschaften, wodurch sie für den Einsatz in Hochdruckanwendungen geeignet sind.
Kapazitive Drucksensoren haben gegenüber anderen Arten von Drucksensoren mehrere Vorteile. Sie sind hochempfindlich, verfügen über einen großen Messbereich und sind relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Sie verfügen außerdem über eine schnelle Reaktionszeit, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, bei denen schnelle Druckänderungen erkannt werden müssen, beispielsweise bei der Durchflussmessung und Prozesssteuerung. Weitere Informationen zu unseren kapazitiven Drucktransmittern finden Sie auf unsererKapazitiver Differenzdrucktransmitter aus MetallSeite.
Optische Materialien
Optische Sensorelemente sind eine relativ neue Art der Sensortechnologie, die zunehmend in Prozesstransmittern eingesetzt wird. Optische Sensoren basieren auf dem Prinzip der Messung der Änderung einer optischen Eigenschaft, beispielsweise der Intensität, Wellenlänge oder Phase des Lichts, als Reaktion auf die gemessene Prozessvariable.
Eine der gebräuchlichsten Arten optischer Drucksensoren ist der faseroptische Drucksensor. Faseroptische Drucksensoren verwenden ein Glasfaserkabel als Sensorelement. Das Glasfaserkabel ist mit einem dünnen Film aus einem Material beschichtet, das seinen Brechungsindex als Reaktion auf Druck ändert. Wenn Licht durch das Glasfaserkabel läuft, führt die Änderung des Brechungsindex zu einer Änderung der Phase oder Intensität des Lichts, die gemessen und zur Bestimmung des Drucks verwendet werden kann.
Optische Sensoren haben gegenüber herkömmlichen elektrischen Sensoren mehrere Vorteile. Sie sind immun gegen elektromagnetische Störungen, verfügen über eine hohe Empfindlichkeit und können in rauen Umgebungen eingesetzt werden, in denen elektrische Sensoren möglicherweise nicht geeignet sind. Zudem sind sie klein und lassen sich problemlos in andere Geräte integrieren. Allerdings sind optische Sensoren im Allgemeinen teurer als andere Sensortypen und erfordern komplexere Signalverarbeitungstechniken.
Auswahl der Materialien für Sensorelemente
Die Auswahl des Sensorelementmaterials für einen Prozesstransmitter hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Art der zu messenden Prozessvariablen, dem Messbereich, der erforderlichen Genauigkeit, den Umgebungsbedingungen und den Kosten.
Wenn es sich bei der Prozessvariablen beispielsweise um Druck handelt und die Anwendung eine hohe Genauigkeit und Stabilität erfordert, kann ein Dehnungsmessstreifen oder ein kapazitives Sensorelement aus einem hochwertigen Material wie Konstantan oder Siliziumdioxid die beste Wahl sein. Wenn die Anwendung hingegen eine schnelle Reaktionszeit und eine hohe Empfindlichkeit erfordert, ist ein piezoelektrisches oder optisches Sensorelement möglicherweise besser geeignet.
Darüber hinaus müssen bei der Auswahl des Sensorelementmaterials auch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und chemische Einwirkung berücksichtigt werden. Wenn die Anwendung beispielsweise in einer Umgebung mit hohen Temperaturen stattfindet, kann ein Material erforderlich sein, das hohen Temperaturen standhält, wie etwa Quarz oder Siliziumkarbid.
Abschluss
Das Sensorelement ist das Herzstück eines Prozesstransmitters, und die Wahl des Sensorelementmaterials hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und Genauigkeit des Transmitters. Als Lieferant von Prozesstransmittern bieten wir eine breite Palette von Transmittern mit unterschiedlichen Sensorelementmaterialien an, um den unterschiedlichen Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden. Ob Sie eine benötigenAbsolut-/Überdrucktransmitterzur Messung von Absolut- oder Überdruck oder einen metallkapazitiven Differenzdrucktransmitter zur Messung von Differenzdruck, wir haben die richtige Lösung für Sie.
Wenn Sie an unseren Prozesstransmittern interessiert sind oder Fragen zu den Materialien der Sensorelemente oder anderen Aspekten unserer Produkte haben, können Sie sich gerne für eine detaillierte Besprechung und Beschaffungsverhandlung an uns wenden. Wir sind bestrebt, Ihnen qualitativ hochwertige Produkte und exzellenten Kundenservice zu bieten.
Referenzen
- Doebelin, EO (2003). Messsysteme: Anwendung und Design. McGraw-Hill.
- Kao, GK (2009). Faseroptik: Prinzipien und Anwendungen. Wiley.
- Norton, HN (2006). Handbuch der Wandler. Sonst.
