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Messtechnik Vier Szenarien: Was Messwertgeber aushalten können

| Autor / Redakteur: Jarkko Ruonala* / Sariana Kunze

Wasser, Hitze und Schmutz sind ernstzunehmende Gegner für jede Elektronik. Messwertgeber müssen sich dieser Herausforderung stellen. Vier Szenarien zeigen, in welchen rauen Umgebungen Messgeräte – nicht nur auf der Erde – präzise arbeiten können.

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Ab Februar 2021 sollen Sensoren an Bord des Mars-Rovers Perseverance den extremen Bedingungen des Roten Plantens trotzen.
Ab Februar 2021 sollen Sensoren an Bord des Mars-Rovers Perseverance den extremen Bedingungen des Roten Plantens trotzen.
(Bild: Nasa)

Die Luft flimmert über dem Sand, es ist trocken und heiß. Am Tag steigen die Temperaturen auf bis zu 50 °C im Schatten. In der Nacht fallen sie dann, es wird kalt. Im Winter können sogar Tiefstwerte von bis zu -10 °C erreicht werden. Solche Temperaturschwankungen sind in der Sahara, der größten Trockenwüste der Erde, an der Tagesordnung. Dieser klimatischen Herausforderung müssen sich Messgeräte stellen.

Szenario 1: Messgeräte kommen in Transformatoren zum Einsatz, die Transformatorenöl mittels Gas-in-Öl-Analyse (DGA) online überwachen. Mit dieser Analyse lassen sich ungeplante Ausfallzeiten und Wartungsarbeiten reduzieren.

Wie Messgeräte Hitze lange standhalten

Die Sharjah Electricity and Water Authority (SEWA) in den Vereinigten Arabischen Emiraten hat sich für diese Online-Überwachung entschieden, mit dem Ziel einer zustandsbasierten Online-Wartung für die gesamte Transformatorenflotte. Aber wie zuverlässig arbeiten Messgeräte bei extremen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und regelmäßigen Sandstürmen? Mehrere Konstruktionsprinzipien gilt es für den langfristigen Außenbetrieb zu berücksichtigen: Das Gehäuse des Monitors muss sowohl robust, als auch gut abgedichtet sein, einschließlich aller Ein- und Ausgänge. Besonders eignen sich hierfür IP66-Gehäuse aus Edelstahl, die die internen Komponenten vor Staub und starken Wasserstrahlen schützen oder IP67 sowie IP68 für Geräte, die nicht unter Wasser eingesetzt werden.

Zu klären ist zudem, ob für das Messgerät Verbrauchsmaterialien wie Gasflaschen, Batterien usw. verwendet werden, die regelmäßig auszutauschen sind. Gibt es bewegliche Komponenten, die verschleißen können, wie etwa Membranen, Pumpen, Ventile, Schläuche oder Batterien? Wenn ja, wie langlebig und zuverlässig sind sie? SEWA setzt hierfür die Ölfeuchte-, Wasserstoff- und Temperatur-Messwertgeber MHT410 von Vaisala ein, dem finnischen Anbieter für Umwelt- und industrielle Messtechnik.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Lithiumionenbatterien als Herausforderung

Szenario 2: Trockenräume sind nichts für sensible Geräte. Unter eisigen Bedingungen, wie einem typischen Taupunktbereich von -40 bis 50 °C und einem relativen Feuchtegehalt von unter 1 Prozent werden Lithiumionenakkus hergestellt. Qualitativ hochwertige Akkus erfordern eine gründliche Umgebungsüberwachung bei der Herstellung, denn sie sind anfällig für Feuchte. Aber nicht nur extreme Kälte machen die Herstellung von Litiumionenbatterien zur Herausforderung für jedes Messgerät, auch Verunreinigungen der Taupunktsensoren durch Chemikalien, die aus den im Prozess verwendeten Elektrolyten verdampfen, machen diese Produktionsumgebung schwierig. Flüssige Elektrolyte in einer typischen Lithiumionenbatterie können aus Lithiumsalzen, wie z. B. LiPF6, LiBF4 oder LiClO4 in einem organischen Lösungsmittel bestehen. Die Lösungsmittel können einen Taupunktsensor beschädigen. Gängige Polymersensoren halten zwar chemischen Verunreinigungen stand, funktionieren aber ausschließlich im Prozentbereich relativer Feuchte und sind nicht für relative Taupunktwerte unter -20 °C geeignet. Hierfür hat Vaisala einen chemisch resistenten Polymer-Taupunktsensor entwickelt, der durch eine aktive Korrekturfunktion mit geringer Messabweichung bis zu einem Taupunkt von -60 °C zuverlässig arbeitet.

Der Messgeräte-Killer: Kondensierende Umgebungen

Szenario 3: Bei einer konstanten Luftfeuchtigkeit von über 90 Prozent kapitulieren die meisten Messgeräte, z. B., wenn es um die Feuchte- und Temperaturmessung bei Gasturbinen geht. Denn der optimale Betrieb von Gasturbinen braucht ein austariertes Verhältnis zwischen Kühlung und einer Luftfeuchte unter dem Sättigungsgrad. Ein gravierendes Problem wäre kondensierendes Wasser auf der Messsonde. Hohe Feuchte zieht kostspielige Wartung, schlechte Produktqualität oder unwirtschaftliche Betriebsleistung nach sich. Zudem können Nebel, Regen oder starker Tau Messungen im Außenbereich stören. Wie können also verlässliche Messdaten auch dann noch gewährleistet werden, wenn die Umgebung den Sättigungspunkt annähernd oder tatsächlich erreicht hat?

Für diese Herausforderung können beheizte Sonden und Sensoren eingesetzt werden, die selbst in Umgebungen mit 100 Prozent relativer Feuchte noch genaue Feuchtemessungen gewährleisten. Die Sonden von Vaisala verfügen beispielsweise über eine Kombination aus Feuchtesensor und damit verbundenem Temperatursensor. Der Kombisensor verfügt über ein Heizelement. So werden der Sensor sowie die gesamte Sonde (einschließlich Filter) auf einer Temperatur gehalten, die einige Grad über der Umgebungstemperatur liegt. Kondenswasser wird dadurch verhindert. Dies gilt selbst dann noch, wenn die Messumgebung bereits die Taupunkttemperatur (100 % rF) erreicht hat. Die Taupunkttemperatur des Kombisensors kann anhand der gemessenen Werte für relative Feuchte und Temperatur berechnet und direkt als Messgröße verwendet werden.

Extremer Härte-Test auf dem Mars

Szenario 4: Nicht nur auf der Erde gibt es anspruchsvolle Umgebungen für Messtechnik, auch auf fernen Planten, wie dem Mars, kommen viele Herausforderungen zusammen. Auf dem Roten Planten ist beispielsweise die Atmosphäre dünner als auf der Erde und besteht großteils aus Kohlendioxid, es wüten gewaltige Staubstürme und es herrschen eisige Temperaturen von bis zu -125 °C. Ein extremer Härte-Test für jeden Sensor.

Ende Juli startete der Rover namens Perseverance der amerikanischen Luft- und Raumfahrteinrichtung NASA Richtung Mars. Er soll den Planeten im Februar 2021 erreichen. Der Mars-Rover wird Bodenproben entnehmen, die später auf der Erde analysiert werden sollen. Mit an Bord dieser Mars-Mission sind ein kapazitiver Dünnfilm-Polymersensor Humicap sowie der Barocap-Sensor des finnischen Messtechnikanbieters. Der mikromechanische Drucksensor auf Siliziumbasis soll genaue Messwerte von Druck und Feuchte unter den extremen Bedingungen der Marsatmosphäre sammeln. Dank ihrer Fähigkeit, Staub, Chemikalien und raue Umgebungsbedingungen zu tolerieren, haben sich die Sensoren von Vaisala auch für extreme Messaufgaben auf fernen Planeten qualifiziert.

* Jarkko Ruonala, Produktmanager, Vaisala

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