Echt flexibel: Piezoelemente eignen sich für viele sensorische Anwendungen

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Für Durchfluss-, Füllstand- und Kraft- oder Beschleunigungsmessung werden kundenspezifische Sensorkomponenten hergestellt, die sich einfach in die jeweilige Applikation integrieren lassen.

Füllstand- und Niveaumessung

Die Anwendungsgebiete piezoelektrischer Bauelemente in der Industrie-Sensorik sind breit gefächert: Die Ultraschall-Laufzeitmessung beispielsweise nutzt sowohl den direkten als auch den inversen Piezoeffekt.

Ein typischer Anwendungsfall ist die Messung von Füllständen. Der Piezowandler ist außerhalb des zu detektierenden Mediums platziert und arbeitet als Sender und Empfänger. Er sendet einen Ultraschallimpuls aus, der vom Füllmedium reflektiert wird. Die benötigte Laufzeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil. Damit sind berührungslose Messungen möglich, bei denen über eine Abstandsmessung der Füllstand von Flüssigkeiten aber auch von Feststoffen, beispielsweise in Silos, gemessen werden kann. Die Auflösung bzw. Genauigkeit hängen davon ab, wie gut der Ultraschallimpuls von der jeweiligen Oberfläche reflektiert wird.

In so genannten Tauchschwingern oder Stimmgabelsensoren lassen sich Piezoelemente als Niveauschalter einsetzen. Sie werden dann in verschiedenen Behälterhöhen platziert. Die Piezowandler regt eine Stimmgabel in ihrer Eigenfrequenz an. Bei Kontakt mit dem Medium verschiebt sich die Resonanzfrequenz, was elektronisch ausgewertet wird. Diese Methode ist sehr zuverlässig und völlig unabhängig von der Art des Füllmediums.

Luftblasen detektieren und Durchfluss messen

Bei der Überwachung von Dosier- und Abfüllanlagen ist es häufig nötig, einen ungestörten Fluss ohne Luft- oder Gaseinschlüsse sicherzustellen. Dies gelingt mit Hilfe so genannter Ultraschall-Blasendetektoren.

In diesen Sensoren dienen Piezoelemente zu Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallwellen. Die Sensoren werden außen an flexiblen Schläuchen angebracht und arbeiten ohne Kontakt zum transportierten Medium; sie beeinträchtigen daher weder die Durchflussmenge noch ist die Gefahr einer Kontamination gegeben und eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung wird sichergestellt.

Ähnliche Vorteile ergeben sich bei der Durchflussmessung. Sie basiert auf der Laufzeitdifferenz bei wechselseitigem Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung. Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung angeordnet. Arbeitet man nach dem Prinzip des Doppler-Effekts, wird die Phasen- bzw. Frequenzverschiebung der von den Flüssigkeitspartikeln gestreuten bzw. reflektierten Ultraschallwellen ausgewertet. Die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler empfangener, reflektierter Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit.

Auf ähnliche Weise lassen sich viele andere Aufgabenstellungen effektiv lösen, zum Beispiel Objekterkennungen oder hochauflösende Materialprüfungen.

Beschleunigungssensoren und Kraftaufnehmer

Nicht immer ist bei sensorischen Anwendungen von Piezoelementen Ultraschall im Spiel. Ein typisches Beispiel hierfür sind piezoelektrische Beschleunigungssensoren. Ihr Kernstück ist eine Piezo-Komponente, die mit einer seismischen Masse verbunden ist. Wird das Gesamtsystem beschleunigt, verstärkt diese träge Masse die mechanische Deformation der Piezoscheibe und erhöht so die messbare Spannung.

Solche Sensoren erfassen Beschleunigungen in einem breiten Frequenz- und Dynamikbereich bei nahezu linearem Verhalten über den gesamten Messbereich. Sie eignen sich zur Messung dynamischer Zug-, Druck- und Scherkräfte. Sie können sehr steif ausgelegt werden und auch hochdynamische Kräfte messen. Typisch ist außerdem die sehr hohe Auflösung.

Kombidisziplin Adaptronik

Eine spezielle Art der sensorischen Anwendung ist auch das Energy Harvesting. Mit dem DuraAct-Flächenwandler beispielsweise ist ein sehr vielseitig einsetzbares piezoelektrisches Element auf dem Markt, das sich sowohl im industriellen Bereich als auch in Forschung- und Entwicklung ein breites Anwendungsfeld erschließen wird.

Ein spezielles Herstellungsverfahren macht die Keramik extrem biegsam, wodurch sie auf bewegte Strukturen angebracht werden kann, deformiert wird und so Ladungsverschiebungen erzeugt, die als elektrische Energie nutzbar ist.

Ein weiteres aktuelles Beispiel sind adaptronische Systemlösungen, bei der DuraAct-Wandler sowohl als Sensor als auch als Aktor eingesetzt werden. Mit solchen Systemen lassen sich störende Schwingungen messen und gleichzeitig kompensieren.

Anders herum werden beim Structural Health Monitoring Schwingungen erzeugt und ihre Fortpflanzung in Materialstrukturen gemessen. Bei einem veränderten Schwingungsbild sind Fehler in der Struktur erkennbar, noch bevor Risse entstehen, etwa in Maschinenteilen, Brücken und Tragflächen.

Insgesamt erschließen die piezoelektrische Elemente durch ihre Vielseitigkeit zunehmend weitere Einsatzbereiche in der Sensorik.

* Frank Möller, Vertrieb und Marketing, PI Ceramic; Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

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