Messumformer Wenn`s hart auf hart kommt...

Autor / Redakteur: Jutta Schneider, José Antonio Gordillo-Tauschke* / Ute Drescher

Die ständig steigenden Erwartungen an das Preis-/Leistungsverhältnis für Sensoren machen neue Produktideen mit einem wirtschaftlichen Ansatz an Fertigungstechnologien erforderlich. Diesen Forderunge gerecht zu werden ist WIKAs Ziel für den Druckmessumformer MH-2, eine Lösung für Messaufgaben der Mobilhydraulik unter schwierigsten Einsatzbedingungen.

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Die extremen Umweltbedingungen, denen Geländefahrzeuge ausgesetzt sind, sind wohlbekannt. Dreck, Staub, Feuchtigkeit, Schocks und Vibrationen sowie extreme Temperaturbedingungen sind tägliche Realität. Deshalb stellt sich allen Herstellern von Geländefahrzeugen die Frage: Wie komme ich zu einem hochwertigen DruckmeßumformerDruckmessumformer, der robust genug ist, diese extremen Bedingungen auszuhalten und der gleichzeitig ausgezeichnete und zuverlässige Messergebnisse bietet?

Der beste Weg, diese Frage zu klären, ist die Wahl eines kompetenten Partners für Druckmessßlösungen, der über langjährige Erfahrung verfügt und gleichzeitig ein komplettes das volle Sensorikprogramm anbietet. Damit ist garantiert, daß die bestmögliche passendste Technik für jede Applikation zum Einsatz kommt.

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WIKA ist weltweit der einzige Lieferant und Hersteller der drei wichtigen Sensortechnologien: keramischer Dickschichtfilm, Metall-Dünnfilm und piezoresistive Technik. Dies hat für den Kunden den großen Vorteil, daß er immer die beste Lösung für seine individuelle Applikation bekommt.

Metalldünnfilm-Technik hält rauen Bedingungen stand

In Anbetracht der rauhen Umweltbedingungen in der Mobilhydraulik verfügt die Metall-Dünnfilmtechnik, verglichen mit den anderen Techniken, über klare Vorteile, den rauhen Bedingungen im Gelände standzuhalten. Im Vergleich zu der piezoresistiven Technik, die mit einer guten statischen Überlastfestigkeit ihre Vorzügeteile in den niedrigeren Druckbereichen hat, ist die Metall-Dünnfilmtechnik eindeutig die bessere Wahl für Applikationen in der Mobilhydraulik:

Der wichtigste Unterschied zwischen Metall-Dünnfilm- und piezoresistiven Sensoren wird deutlich, wenn der Sensor im Hydrauliksystem dynamischen Druckspitzen ausgesetzt ist. Diese werden vom Steuerungssystem der Arbeitshydraulik erzeugt. Wenn das Regelventil mit einer relativ großen Veränderung in seinem Querschnitt schnell schaltet (<< 1 s), verursacht dies eine Blockage des Hydrauliköls, das als Folge Druckspitzen erzeugt, die viel höher sind als der Arbeitsdruck im System. Diese Druckspitzen bauen sich extrem schnell, d. h. mit Schallgeschwindigkeit aus (im Rohr durch das Hydrauliköl).

In der Mobilhydraulik muß der piezoresistive Sensor immer in Kombination mit einem Druckmittler eingesetzt werden, um den Silikonchip zu schützen. Dieser Druckmittler – eine sehr dünne Membrane aus rostfreiem Stahl – ist ein sehr empfindliches Bauteil. Verglichen mit dem Metall-Dünnfilmsensor ist die tatsächliche Membrane des Druckmittlers sehr viel dünner und hat auch einen größeren Durchmesser.

Piezoresistive Sensoren halten Hochdruckspitzen nicht aus

Deshalb ist sie Hochdruckspitzen, die zum Riß und in diesem Fall zum Ausfall des kompletten piezoresistiven Gerätes bedingt durch den direkten Kontakt des Hydrauliköls mit dem Sensorchip führen können, gegenüber sehr viel empfindlicher. Auch die Verwendung einer Dämpfungsdüse kann das System nicht vollständig vor dynamischen Druckspitzen schützen.

Die optimierte Metall-Dünnfilmtechnologie von WIKA zeichnet sich durch ihre exzellente Langzeitstabilität aus. Während des sogenannten Bedampfungsverfahrens (“Sputter”-Technik”) bilden die metallische Sensoroberfläche, die Isolierung und die aufgetragene Widerstandsschicht zusammen einen atomaren Verbund. Diese Verbindung garantiert selbst unter extremer Beanspruchung innerhalb großer Temperaturbereiche über lange Zeit hinweg höchste Leistungsfähigkeit.

Im allgemeinen beeinflussen Temperaturänderungen das Messen von Druck bei allen Sensortechniken. Es ist deshalb eine KompensationAusgleich von Temperatureffekten erforderlich. In der Metall-Dünnfilmtechnik von WIKA wird die Temperaturkompensation direkt auf dem Sensor durch zusätzlichespezielle Laser-trimmbare Trimmer-TemperaturwWiderstände, die in die verwendete Meßbrücke integriert sind, durchgeführt. Komplizierte und teure Anpassungen von elektronischen Teilen, die erforderlich werden, wenn ein piezoresistiver Sensor zum Einsatz kommt, sind hier nicht erforderlich.

Metallischer Dünnfilmsensor funktioniert auch bei extremen Temperaturen

Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den beiden Sensortechniken ist folgender: verglichen mit dem metallischen Dünnfilmsensor hat der piezoresistive Sensor ein nicht-lineares Temperaturverhalten. Die Nichtlinearität zieht beträchtlich höhere Temperaturfehlerausfälle in den niedrigen und hohen Temperaturbereichen außerhalb der kompensierten Grenze des ausgeglichenen Temperatur-Bereiches nach sich.

Der DruckmeßumformerDruckmessumformer MH-2 ist die neueste Innovation von WIKA für die rauhen Einsatzbedingungen vonder Applikationen in der Mobilhydraulik-Anwendungen. Als Nachfolgegeneration des bereits erfolgreich eingeführten MH-1 kombiniert dieses Produkt alle Vorteile des MH-1 unter Ausnutzung neuer Werkstoffe, elektronischer Konzepte und Produktionstechniken.

Die Nachfrage nach ständig ansteigenden Mengen mit fallenden Kosten macht die Entwicklung neuer Konzepte und Lösungen erforderlich. Deshalb wurde der MH-2 speziell für die automatisierte Herstellung von großen Stückzahlen konzipiert, die ein ausgezeichnetes Preis-/Leistungsverhältnis sowie ausreichende und zuverlässige Produktionskapazitäten sicherstellt – ein wichtiger Punkt für OEM-Kunden mit einem gleichmäßigen Produktionsanlauf in Richtung großer Stückzahlen.

Gehäuse aus glasfaserverstärktem Polyester

Durch die Kombination modernster Technik mit bewährten Bauteilen ist das Gehäuse des MH-2 aus einem extrem widerstandsfähigen, glasfaserverstärkten Polyester (PBT) hergestellt. Dieses Material hat sich in der Automobilindustrie unter schwierigsten Bedingungen seit mehr als 10 Jahren bewährt. PBT hält den rauhesten Umweltbedingungen wie Staub, Feuchtigkeit, Schock und Vibrationen und auch extremen Temperaturverhältnissen zwischen –40 und +125°C stand.

Außerdem können mit diesem Werkstoff kundenspezifische elektrische Anschlüsse realisiert werden, ohne die bestehende Konstruktion ändern zu müssen. Dies ist möglich, da das Transmittergehäuse und der elektrische Anschluß aus einem einzigen Kunststoffspritzteil bestehen. Deshalb werden hier keine Dichtelemente oder Einzelbauteile benötigt. Das niedrigere Gewicht ist ein weiterer Pluspunkt, der in vielen Applikationen immer wichtiger wird. Ein dünnes Metallrohr im Kunststoffgehäuse garantiert eine überdurchschnittliche EMV-Störsicherheit von mindestens 100 V/m.

Mehrere Hunderttausend Transmitter/Jahr

Der MH-2 wird auf einer vollautomatisierten Fertigungslinie mit Taktzeiten von 10 Sekunden mit einer Jahreskapazität von mehreren hunderttausend Transmittern hergestellt, wodurch völlig neue Dimensionen eröffnet werden. Die Montage des MH-2 folgt einem modularen Konzept, das durch die Verwendung eines sogenannten “Autosplice”-speziellen automatischen Spleißerfahrens realisiert wird, wodurchmit die verschiedenen elektrischen Bauteile miteinander verbunden und werden und gleichzeitig am Ende die Kontakte für den integrierten des elektrischen Anschlusses bildenmontiert werden.

Das Design und die Konstruktion des MH-2 wurden vollständig auf die steigenden Qualitäts- und Leistungsanforderungen bei minimierten Kosten ausgerichtet. Die Produktionslinie wurde nach den höchsten Qualitätsstandards der Automobilindustrie, dern sogenannten VDA 6.1 und ISO/TS 16949 Normen, konzipiert. Diese Richtlinien stellen eine 100%ige Prozeßsicherheit während des Fertigungsprozesses sicher.

Dämpfungssystem verhindert Kavitionen oder Mikrodieseleffekte

Jeder MH-2 ist mit dem kapillaren Dämpfungsystem CDS ausgerüstet, welches eine Verjüngung des Druckkanals konisch zulaufen läßt. Mittels dieses Systemes können Kavitationen oder Mikrodieseleffekte vermieden werden. Bei Wettbewerbsprodukten werden oftmals Dämpungsdüsen als Einschraubversion mit einem sehr viel kürzeren Drosselweg verwendet, die sich sogar während des Betriebes lösen können.

Bei Feldeinsätzen oder Verwendung auf Baustellen verursachen rauhe Umgebung und Unebenheiten und Vertiefungen in der Landschaft Impulse, die sich auf den DruckmeßumformerDruckmessumformer auswirken. Der MH-2 widersteht Schockbelastungen von bis zu 500 g, ohne daß seine Funktionalität beeinträchtigt wird. Zum Vergleich: die Belastung eines Autos, das mit 100 Stundenkilometern gegen einen Baum fährt, kommt einer Schockbelastung von 20 ... 100 g gleich.

Außerdem erzeugen die Motoren von Fahrzeugen Vibrationen, denen der DruckmeßumformerDruckmessumformer ausgesetzt ist. Die Vibrationen, die während des Starts eines Flugzeuges von dessen Motoren erzeugt werden, entsprechen ca. 10 g. Der MH-2 ist innerhalb eines großen Frequenzbereiches für Applikationen mit Vibrationsbeanspruchungen von bis zu 20 g geeignet, sogar unter Resonanzbedingungen.

Kabelversion des Messumformers erreicht Schutzart IP69k

Die Kabelversion des MH-2 mit freiem Kabelende ist bis zu IP 69k dampfstrahlsicher. Das Innere des Gehäuses ist absolut dicht gegen Spritzwasser, wenn das Fahrzeug mit einem Dampfstrahler gereinigt wird. Auch die Steckerversionen des MH-2 sind, wenn die Steckerverbindung getrennt ist (ohne Gegenstecker) gemäß IP69 k dampfstrahlsicher, da die Kontakte im Stecker mit einem Spezialkleber abgedichtet sind.

Simulation einesr FeldeinsatzesQuerfeldein-Situation und damit verbundeneanschließender Prüfungen

Um dem Kunden ein ausgezeichnetes Produkt für die rauhen Umweltbedingungen in der Mobilhydraulik anzubieten, hat WIKA eine ganze Reihe von verschiedenen Simulationen und Prüfungen in den firmeneigenen Labors vorgenommenangestellt. Es wurde eine ganze Reihe von Prüfungen durchgeführt, um die Eignung des MH-2 bei schwierigen Umweltbedingungen nachzuweisen.

Im folgenden eine Auswahl der wichtigsten Prüfungen, denen der MH-2 unterzogen wurde:

  • Schutzartklasse IP67 (Staub und Wasser) gemäß EN 60529
  • Schutzartklasse IP69k bei der Version mit freiem Kabelende (dampfstrahlsicher)
  • Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Chemikalien und Meßstoffe: Salz, Hy-tran Öl, Hydrauliköl, Benzin, Diesel, Bremsflüssigkeit, ÄEthylenglykollösung (50/50), Phosphate
  • Vibrationsbeanspruchung gemäß DIN EN 837; DIN IEC 68 Part 2-6
  • Zulässige Schockbelastung gemäß DIN EN 837
  • EMV Störsicherheit gemäß EN 61000

Die ständig ansteigenden Erwartungen an das Preis-/Leistungsverhältnis für Sensoren machen neue Produktideen mit einem wirtschaftlichen Ansatz an Fertigungsansatztechnologien erforderlich. Der Mobilhydraulikmarkt ist ein ausgezeichnetes Beispiel für die ansteigenden Anforderungen an Qualität und Leistung aufbei einem vernünftigen Preisniveau. Diesen Anforderungen gerecht zu werden ist WIKA’s Ziel für den Druckmessßumformer MH-2.

WIKA

Tel. +49(0)9372 1320

*Dipl.-Wirtschaftsing. Jutta Schneider ist als Produktmanagerin für OEM-Drucksensorik, José Antonio Gordillo-Tauschke als Produktmanager für MH-2-Druckmessumformer bei der WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co. KG, Klingenberg, zuständig.

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