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Messtechnik

Mit kapazitivem Messverfahren bleiben Sternensensoren im All in Form

| Autor/ Redakteur: Norbert Reindl, Christoph Zauner* / Sariana Kunze

Das Weltall fasziniert seit jeher die Menschheit. Um dieses Gebiet bis in die Tiefen erforschen zu können, sind Lösungen notwendig, die Messergebnisse im Mikrometerbereich unter extremsten Bedingungen ermöglichen. Kapazitive Messverfahren für Verformungsmessungen können hierfür eingesetzt werden.

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Kapazitive Sensoren eignen sich besonders gut für Messaufgaben unter extremsten Bedingungen – wie beispielsweise im Weltraum.
Kapazitive Sensoren eignen sich besonders gut für Messaufgaben unter extremsten Bedingungen – wie beispielsweise im Weltraum.
( Bild: Micro-Epsilon )

Unvergessen ist die Apollo 11 Mission, als Neil Armstrong am 21. Juli 1969 seinen Fuß auf die Oberfläche des Mondes setzte, dies war laut Armstrong ein kleiner Schritt für einen Menschen, aber ein riesiger Sprung für die Menschheit. Doch die Geschichte der Raumfahrt begann bereits im frühen 20. Jahrhundert. Seither gibt es zahlreiche Entwicklungen, Flüge ins All, Forschungen und stets neue Entdeckungen in den Weiten des Kosmos. Allerdings stellen die Umweltbedingungen im Weltraum große Herausforderungen für viele Bauteile von Satelliten dar. In Gebieten, die der Sonne abgewandt sind, herrschen tiefste Temperaturen von bis zu -271° Celsius, die sich kurz vor dem absoluten Nullpunkt und somit im kryogenen Temperaturbereich befinden. In Flugbahnen, bei welchen die Bauteile der Sonne zugewandt sind, werden diese dagegen sehr heiß und die Temperaturen steigen dort schnell auf mehr als 200° an. Außerdem herrscht statt der Erdatmosphäre ein Vakuum.

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Für Messtechnik sind drei Faktoren im All entscheidend

Die Technologie, die bei Raumfahrtmissionen eingesetzt wird, muss diesen extremen Bedingungen standhalten. Material sollte sich beispielsweise nicht thermisch ausdehnen, möglichst ausgasungsfrei und strahlungsbeständig sein. In Bezug auf Messtechnik sind drei Faktoren entscheidend: Robustheit, Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer. Diese Anforderungen stellen insbesondere präzise Sensoren vor hohe Herausforderungen.

Die KRP Mechatec GmbH ist ein Ingenieurdienstleister, der sich auf Struktur-Design, -Analyse und -Tests auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt sowie auf Fusionsforschungseinrichtungen spezialisiert. In Zusammenarbeit mit dem Sensorikhersteller Micro-Epsilon wurde eine Messplattform zur hochgenauen Thermalverformungsmessung von Raumfahrtkomponenten entwickelt. Die experimentelle Verifikation thermoelastisch stabiler Strukturen erfordert eine Messplattform mit einer vielfach höheren Thermostabilität, als sie von den zu untersuchenden Komponenten nachzuweisen ist. Um das Messergebnis nicht durch Verformung der Messplattform zu verfälschen, ist der Einsatz von thermisch äußerst stabilen Sensoren und von ULE- (ultra low expansion) Materialien wie Clearceram und Zerodur notwendig. Es handelt sich dabei um eine Glaskeramik, die äußerst niedrige thermische Ausdehnung und Längenstabilität aufweist. Daher wird sie in anspruchsvollen Anwendungen, wie der Präzisionsmesstechnik oder der Astronomie eingesetzt.

Sternensensoren vor Verformungen schützen

Eine der Messaufgaben galt der Bestimmung der thermischen Ausdehnung bei Sternensensorträgern. Bei Sternensensoren handelt es sich um optische Messinstrumente auf Basis von CCD-Elementen oder anderen optischen Sensoren. Ihre Aufgabe ist die Suche und Richtungsbestimmung von hellen Himmelskörpern. Für die Raumfahrt sind Sternensensoren von höchster Bedeutung. Sie sind zur Bestimmung der Fluglage und Lageregelung notwendig. Auch Satelliten nutzen beispielsweise den Sternenhimmel, um sich im Raum zu orientieren. Sternensensoren müssen demnach mikrometergenaue Messergebnisse liefern, um daraus exakte Positionsbestimmungen im Weltraum generieren zu können.

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Kapazitives Messverfahren
Prinzip eines idealen Plattenkondensator

Das kapazitive Messverfahren basiert auf dem Prinzip idealen Plattenkondensators. Die Gesamtkapazität ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen den Platten, also Sensor und Messobjekt, verschiebt. Wird ein Wechselstrom mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude durch den Sensorkondensator geschickt, so ist die Amplitude der Wechselspannung am Sensor proportional zum Abstand des Messobjekts. Die Abstandsänderung wird im Controller erfasst, aufbereitet und das Ergebnis lässt sich über verschiedene Ausgänge ausgeben. Weg, Abstand und Position können so präzise im Nanometerbereich vermessen werden. Da das Messsystem nicht nur vom Abstand abhängt, sondern auch auf Änderung des Dielektrikums im Messspalt reagiert, sollte die Umgebung für herkömmliche kapazitive Sensoren sauber und trocken sein.

Die Träger, auf denen Sternensensoren montiert werden, dürfen keinerlei thermischen Verformungen ausgesetzt sein. Das Verhalten des eingesetzten Materials wird daher über hochpräzise kapazitive Sensoren zur Weg-, Abstands- und Positionsmessung von Micro-Epsilon geprüft. Die Träger haben in etwa die Form eines großen „M“. Links, rechts und mittig ist je ein Sternensensor montiert. Diese Sensoren sind nach links bzw. rechts außen geneigt. Der Sensor in der Mitte zeigt senkrecht nach oben. Während des Nachweistests befinden sich an jeder Halterung fünf kapazitive Sensoren, die in x-, y- und z-Richtung eine mögliche Verdrehung der Plattformen im µrad-Bereich erkennen (zur Veranschaulichung: 1 µrad entspricht einer Verschiebung von 1 µm bei 1 m Hebelarm). Tests der Messplattform zeigten eine Stabilität der Rotationsmessung an den Referenzflächen von <0,1 µrad/K.

Kapazitive Sensoren eignen sich besonders gut für diese Messaufgaben unter extremsten Bedingungen. Dank ihrer Technologie sind kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon in der Lage, auch in rauen Industrieumgebungen hochgenaue Messwerte zu erfassen. Sie liefern bei extremen Temperaturen Messwerte bis in den Nanometerbereich, so der Hersteller. Sie eignen sich für Einsatzbedingungen bei Tiefsttemperaturen oder Ultrahochvakuum bis hin zu staubigen Industrieumgebungen oder Reinraumanwendungen. Die kapazitiven Sensoren sind außerdem langzeitstabil, weil keine Komponenten verbaut sind, die die Lebensdauer einschränken. Jeder kapazitive Sensor kann ohne aufwändige Kalibrierung mit einem beliebigen Controller von Micro-Epsilon verwendet werden, beschreibt das Unternehmen.

* Dipl.-Ing.(FH) Norbert Reindl, Gruppenleiter Entwicklung Kapazitive Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik, und Dr.-Ing. Christoph Zauner, Technischer Leiter, KRP Mechatec

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