Von der Füllstandsmessung bis zur Adaptronik

Piezoelemente für eine Vielzahl sensorischer Anwendungen

Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z.B. Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren. Bild: PI

Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung erzeugen (Piezoeffekt) oder unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht hier auch von Transducern. Während sich der inverse Piezoeffekt für aktorische Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der direkte Piezoeffekt oder auch die Kombination beider Effekte für die Realisierung von Sensoren an. Der Piezoeffekt beruht dabei ausschließlich auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters des piezoelektrischen Elements. Er ist daher keiner mechanischen Reibung und keinem Verschleiß im klassischen Sinne unterworfen und ist hochsensibel. Bereits kleinste Deformationen erzeugen unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung und umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung bei einem Aktor eine sofortige Auslenkung. Damit erschließen sich eine Vielzahl potentieller Anwendungen, angefangen von Ultraschall- , Kraft- bzw. Beschleunigungssensoren bis hin zu komplexen adaptronischen Systemen.

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist eine klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen. Die kurzen Ansprechzeiten und die daraus resultierende hohe Dynamik ermöglichen hohe Schwingungsfrequenzen von bis zu 20 MHz. Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs, also ab etwa 16 kHz. Industrie, Medizintechnik und Forschung nutzen diesen Frequenzbereich in vielerlei Hinsicht. Das Spektrum reicht von Abstandsbestimmung und Objekterkennung, Füllstand- oder Durchflussmessungen über hochauflösende Materialprüfungen bis hin zur medizinischen Diagnostik und Therapie. Piezokeramiken lassen sich praktisch in beliebigen Formen preisgünstig fertigen und bieten so für die unterschiedlichen Anwendungen maßgeschneiderte Lösungen.

Flexibel bei Frequenz und Bauform

Die Piezoelemente von PI Ceramic eignen sich für eine Vielzahl von Ultraschallanwendungen. Diese lassen sich grob klassifizieren in zumeist sensorische Anwendungen für Frequenzen bis 20 MHz und Leistungs-Ultraschall, bei dem die Energiedichten höher sind. Bei letzteren verrichten die Piezoelemente dann beachtliche mechanische Arbeit, sie zertrümmern z.B. Nierensteine oder entfernen Zahnstein, liefern die mechanische Energie für Reinigungsbäder aber auch für industrielles Schweißen oder Bonden. Die typischen Frequenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwischen 20 und 3000 kHz.

Bei Piezokomponenten sind neben der auf die jeweilige Applikation bezogene Materialauswahl, unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar, Bauelemente wie Dickenschwinger in Scheiben- bzw. Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piezorohre und Scherelemente mit Standardabmessungen können auf Basis vorrätiger Halbzeuge sehr kurzfristig geliefert werden. Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometrien sind auf Anfrage ebenfalls erhältlich. Außerdem sorgt PI Ceramic für die Integration in das endgültige Produkt. Dazu gehören sowohl die elektrische Kontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als auch die Montage in bereitgestellte Bauelemente, das Verkleben oder der Verguss der Ultraschallwandler. Für Durchfluss-, Füllstand- und Kraft- oder Beschleunigungsmessung werden kundenspezifische Sensorkomponenten hergestellt, die sich einfach in die jeweilige Applikation integrieren lassen.

Füllstand – und Niveaumessung

Ein typischer Anwendungsfall für die Laufzeitmessung ist die Messung von Füllständen.(Foto: PI)

Ein typischer Anwendungsfall für die Laufzeitmessung ist die Messung von Füllständen.

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, z.B. in Silos, gemessen werden kann. Die Auflösung bzw. Genauigkeit hängen davon ab, wie gut der Ultraschallimpuls von der jeweiligen Oberfläche reflektiert wird.

Beispiel für eine Stimmgabel zur Füllstandsmessung (Foto: PI)

Beispiel für eine Stimmgabel zur Füllstandsmessung.

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.

Die Durchflussmessung basiert auf dem wechselseitigen Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung. (Foto: PI)

Die Durchflussmessung basiert auf dem wechselseitigen Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung.

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, z.B. 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 ein 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

Sensor, Aktor oder beides: piezoelektrische Multitalente (Foto: PI)

Sensor, Aktor oder beides: piezoelektrische Multitalente.

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 genutzt werden können.

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, z.B. in Maschinenteilen, Brücken, Tragflächen etc.

Bild 6: Biegeradien bis 20 mm lassen sich ohne Weiteres realisieren (Foto: PI)

Biegeradien ab 20 mm lassen sich ohne Weiteres realisieren.

Grundlage der kompakten Wandler ist eine piezokeramische Folie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig mit einem leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend wird dieser Aufbau in einem biegsamen (duktilen) Polymerverbundstoff eingebettet. Dadurch erreicht man gleich dreierlei: Die Piezokeramik wird elektrisch isoliert, mechanisch vorgespannt und der an sich spröde Werkstoff wird so robust, dass er sogar auf gekrümmten Oberflächen mit Biegeradien ab 20 mm aufgebracht werden kann. Man klebt die Wandler dazu einfach auf dem entsprechenden Substrat auf oder integriert sie direkt in den Verbundwerkstoff des Substrats. Kundenspezifische Geometrien des Flächenwandlers lassen sich bei diesem Aufbau ebenso realisieren wie perfekt auf den jeweils benötigten Biegeradius abgestimmte Form und Dicke der Keramik. Das Gleiche gilt für die Beschaffenheit der Keramik (in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur) sowie die Gestaltung der elektrischen Anschlüsse. Einmal mehr beweisen damit piezoelektrische Elemente ihre Vielseitigkeit, die ihnen zunehmend weitere Einsatzbereiche in der Sensorik erschließen wird.

Alle Bilder: PI

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

Dipl.-Physiker Frank Möller

Vertrieb und Marketing bei der PI Ceramic GmbH

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