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&bdquo;Entwicklung von Druckwächtern für die Ventilüberwachung aus

1. Iron Ill chloride 50 lt 150 7 days Iso butyl acetate 20 Iso butyl acetate 60 Isopropanol isopropyl 50 alcohol Ketones different 20 Lactic acid 50 23 7 days Lactic acid 50 lt 50 7 days o Lanolin 50 Lead acetate 100 Lime CaO 100 Magnesium chloride 50 lt 150 7 days Maleic acid 100 Manganate potassium K 100 Meat juices 100 Mercuric chloride 100 Mercury 100 Methanol Technically pute lt 75 7 days Methanol Technically pure lt 100 z Methyl ethyl ketone Technically pure 23 Methyl isobutyl ketone 23 Methylene chloride 60 Methylene chloride 100 Milk lt 75 7 days Milk products 100 Mineral oil 50 Moist air 100 Molasses 100 Monoethanolamine 20 Monoethanolamine 60 Motor oil lt 135 7 days Naptha 100 Napthalene 100 Nickel salts 100 Nitrates of Na K and NH3 100 Nitric acid 30 lt 125 7 days Nitric acid 30 lt 150 7 days o Nitric acid 65 lt 60 7 days 138 Nitric acid 65 lt 100 2 Nitric acid 98 23 Nitrite Na 100 Nitrobenzene 23 7 days Nitrobenzene 100 Nutrient fat 100 7 days Oils diesel 100 Oils essential 100 Oils lubricating aromatic 100 additives Oils mineral 100 Oils vegetable and animal 100
2. 54 Die Spannung oder die Ladungen auf den Oberfl chen der piezoelektrischen PVDF Folien werden mit Hilfe von elektrischen Kontakten abgegriffen und einer elektroni schen Schaltung zugef hrt In den Geh useteilen des Drucksensors sind St tz fl chen Absenkungen angebracht um eine lineare Kennlinie f r den Drucksensor zu erhalten Wie sich die Gr e der St tzfl che auf die Kennlinie eines PVDF Drucksensors auswirkt wird sp ter in Kapitel 7 2 1 und 8 2 2 diskutiert Die Differentialdruckw chter funktionieren folgenderma en Bei Druckzufuhr von oben oder von unten biegt sich die PVDF Folie dadurch entstehen in der Folie me chanische Spannungen die zur Ausbildung einer elektrischen Ladung und somit einer entsprechenden elektrischen Spannung zwischen den Elektroden der Folie f hren Diese elektrische Ladung bzw Spannung l sst sich mit einer elektronischen Schaltung messen Das St tzloch im Geh use des Drucksensors verhindert einer seits dass die piezoelektrische PVDF Folie durch einen berdruck berdehnt wird Andererseits soll das Loch so klein gew hlt werden dass gr ere Partikel die die piezoelektrische PVDF Folie besch digen k nnten ferngehalten werden Die Gr e des St tzloches ist nach unten hin dadurch beschr nkt dass kleine Partikel sie nicht verstopfen d rfen Ein PVDF Geh use kann eine oder mehrere St tzl cher haben Wenn ein Druckw chter f r besonders gro e Dr cke ausgelegt werd
3. 2 wo Ep 7 4 R 3 R 4 2 A E ME 7 5 Rj 56 Der Ausdruck in der Klammer von Gleichung 7 5 entspricht der gesamten mechani schen Spannung o in der Folie 2 we E o Oy 7 6 Y 3R hays Nach dem Einsetzen der Gleichung 7 6 in Gleichung 7 5 ergibt sich ap 7 7 Rij Gleichung 7 3 kann nach e aufgel st und dieser Wert in Gleichung 7 4 eingesetzt werden Gleichung 7 4 kann nach w aufgel st und dieser Wert in Gleichung 7 7 eingesetzt werden Aus Gleichung 7 7 ergibt sich dann 52 Ap loa o o 7 8 29 oy _ a m 20 _ 20 7 9 2 3 3 3 3 2 3 3 3 3 2 2 072190 PO OV a OO 07 0 20 292 90 7 10 22 2 2 27 Dh DGD 27 3 Die durch die Dehnung der Folie hervorgerufene mechanische Spannungop bei nichtvorhandener Vorspannung der Folie ov 0 ist gleich der gesamten mechanischen Spannung cp o 09 AP R E 6 3 MAE 7 11 Um die Berechnungen zu vereinfachen wird im weiteren Verlauf dieser Arbeit angenommen dass die Vorspannung o der Folie viel geringer als die durch die Dehnung der Folie hervorgerufene mechanische Spannung op ist Dann kann die gesamte mechanische Spannung o mit der Gleichung 7 11 berechnet werden Diese Gleichung ist nur f r isotrope Folien g ltig PVDF Folien sind aber im Allgemeinen anisotrop und haben unterschiedliche Elastizit tsmodule und Querdehnungszahlen f r Zugspannungen und Deformationen in unterschi
4. ds d 2 vd Daraus l sst sich der relative Messfehler mit folgender Gleichung berechnen AP 100 1 3 ein 100 XE P u A P Qnin 1 247 7 74 E dz d 2 V d33 y 2 Bei einer kreisf rmigen PVDF Folie mit einem Durchmesser von 4 mm einer Dicke von 28 um und einer Schaltschwelle P 10 kPa betr gt der relative Messfehler 71 Qmin 0 01 pC d31 23 10 C N da2 5 10 C N das 33 10 C N E 2 10 Pa v 0 18 Xr 5 2 10 F r den in Abbildung 7 2 dargestellten Druckwachter gilt siehe Gleichungen 7 24 AP nin Qnin A da Daraus l sst sich der relative Messfehler mit folgender Gleichung berechnen AP 1 7 Xr 100 100 Qnin 7 75 Bei einer kreisf rmigen PVDF Folie mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Schaltschwelle P 10 kPa betr gt der relative Messfehler Xg gt 0 24 Die Berechnungen zeigen dass der durch das elektronische Rauschen verursachte Messfehler gering ist und deswegen vernachl ssigt werden kann 7 4 2 Einfluss des pyroelektrischen Effekts Die nderung in der Ausgangsspannung welche durch eine schnelle Temperatur schwankung verursacht wird kann unter Ber cksichtigung der Gleichung 4 6 wie folgt berechnet werden ia 2 Be 7 76 Co Cpypr C 0 Er As 0 Druckw chter in Abbildung 7 1 Die Ausgangsspannung eines in Abbildung 7 1 dargestellten PVDF Druckw chters kann mit folgender Gleichung berechnet werden Gl
5. AP R E Nach Einsetzen von Gleichung 7 13 in Gleichung 7 2 ergibt sich AP R A 3 HI i d3 d3 2V d33 A d33 AP 241 1 V BA er 7 14 Er Ey A t Die Ladung auf der Oberfl che einer PVDF Folie betr gt mit 2 R 2 R 2 R 2 2 R 3 4 mm Durchmesser t 28 um Dicke AP 100 kPa angelegtem Druck und da 23 10 C N das 5 10 C N das 33 10 C N E 2 10 Pa v 0 18 Q 3 28 10 C Co Die Leerlaufausgangsspannung ber der Folie f r Co 0 und er 12 ist gleich U 68 7V Wenn Co 3 3 nF dann ist Up 0 98 V 7 2 2 Berechnung des Berstdruckes Der Berstdruck ist der Druck bei welchem die mechanische Spannung in der PVDF Folie ihre Streckfestigkeit bersteigt Wenn der Berstdruck erreicht ist zerrei t die PVDF Folie Polarisierte PVDF Folien haben sehr starke anisotrope Eigenschaften Die Streckfestigkeit von PVDF Folien in Querrichtung zur Extrusion der Folie 2 Rich tung ist kleiner als in L ngsrichtung 1 Richtung Deshalb rei en die piezo elektrischen PVDF Folien bei der Druckerh hung immer entlang der Querrichtung Der Berstdruck der gesamten PVDF Folie wird somit durch den Berstdruck der Folie in Querrichtung bestimmt Aus Gleichung 7 8 kann der Berstdruck berechnet werden ro 1 v AP ax 24 6 0 7 15 F r eine PVDF Folie mit 2 R 4mm Durchmesser t 28 um Dicke und o 0 Pa Vorspannung E 2 GPa v 0 18 o 50 MPa betr gt der Berst
6. Die Kennlinien eines PVDF Drucksensors f r verschiedene Temperaturen sind mit Hilfe von Excel mit den oben dargestellten Daten berechnet worden Es wurde dabei angenommen dass A Az A3 ist Diese Kennlinien sind in Abbildung 8 31 zusam men mit den gemessenen Kennlinien dargestellt und werden mit den Messergeb nissen verglichen 7 2 4 Berechnung von Sensorabmessungen Berechnung f r den Sensor in Abbildung 7 1 Gleichung 7 13 zeigt dass bei einer Verringerung des Sensordurchmessers die Aus gangsladung sinkt Gleichung 7 13 kann f r den Druckw chter in Abbildung 7 1 fol genderma en vereinfacht werden AP Ri E 0 4 a 7 ds d3 2V d33 A dz AP 241 1 v AP R E L1 A 3 re eee d da 2Vd33 7 19 Aus Gleichung 7 19 ergibt sich Q 24t i V 1 t 24 7 Q a Fu z 72 7 20 A R ds d3 2Vd3s 1 En d d 2v d3 Ai lh dx 2Vd3 Die minimale Sensorflache kann aus Gleichung 7 21 berechnet werden A min 7 E 2 A 7 22 m dy dy 2v d3 Das bedeutet Soweit die Messelektronik ausreichend empfindlich ist und somit sehr kleine Ladungen messen kann darf der Drucksensor beliebig kleine Durchmesser haben In der Realit t betr gt das typische Rauschen welches kosteng nstige Ladungsver st rker erzeugen im Durchschnitt 0 01 pC Das bedeutet dass bei einer kreisf rmi 60 gen PVDF Folie mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Dicke t
7. vill PVDF Folie Abb 3 3 Konstruktion eines PVDF Drucksensors nach dem kapazitiven Messprinzip Deshalb wird die nderung der Kapazit t haupts chlich durch die nderung der Dielektrizit tskonstante der PVDF Folie verursacht Die Kapazit t der PVDF Folie kann mit Gleichung 4 3 berechnet werden Arshak hat der Kapazit t einer 110 um dicken PVDF Folie mit beidseitig aufgetragenen 10x15 mm gro en Elektroden bei einer Frequenz von 100 KHz gemessen Er hat festgestellt dass sich die Kapazit t durch 100 kPa Druckbelastung um ca 3 ndert Der Sensor hat eine Wiederhol genauigkeit und Hysterese von jeweils 6 ArshO6a ArshO6b Sencadas et al hat die Dielektrizit tskonstante einer nicht polarisierten PVDF Folie in einem breiten Temperaturbereich untersucht Senc05 Seine Messergebnisse zeigen dass die Abh ngigkeit der Dielektrizit tskonstante von der Temperatur nicht linear ist Aus seinen Messergebnissen folgt auch dass die Dielektrizit tskonstante einer PVDF Folie um ca 200 steigt wenn die Temperatur sich von 40 C auf 80 C ndert Abb 4 10 Da die Kapazit t der PVDF Folie proportional zur Dielektri zit tskonstante ist steigt die Kapazit t auch um 200 wenn die Temperatur von 40 C bis 80 C steigt Die Temperatur hat somit einen viel gr eren Einfluss auf die Kapazit t der PVDF Folie als der Druck weil die Kapazit ts nderung durch 10 kPa Druckbelastung vergleichbar mit derjenigen von ca 0 2 C Te
8. 2 Zweiachsig gestreckte 25 um dicke PVDF Folie mit beidseitiger 70 nm dicker Gold auf Platin Beschichtung Diese Folie ist bei PIEZOTECH S A Frank reich hergestellt Die Toleranz f r die piezoelektrischen Module dieser Folie betr gt 5 Die Toleranz kann nach Bedarf bei der Herstellung bis 2 oder 3 reduziert werden oo Einachsig gestreckte 515 um dicke PVDF Folie mit beidseitiger 10 um dicker Kupfer Beschichtung Diese Folie ist bei AIRMAR Technology Corp USA hergestellt Silber Tinten und Gold auf Platin Beschichtungen unterscheiden sich dadurch dass die Silber Tinten Beschichtung mechanisch stabiler als die Gold auf Platin Beschich tung ist Die Experimente haben gezeigt dass an manchen Stellen die Gold auf Platin Beschichtung besch digt wird wenn eine PVDF Folie mechanisch stark gebo gen wird Diese Beschichtung ist dann nicht mehr leitf hig Eine Silbertinten beschichtung wird bei der gleichen Belastung nicht besch digt Andererseits hat die Gold auf Platin Beschichtung eine viel bessere chemische Vertr glichkeit als die Silber Tinten Beschichtung Deshalb sollte eine Gold auf Platin Beschichtung benutzt werden wenn der Drucksensor eine gute chemische Vertr glichkeit haben soll Eine Silber Tinten Beschichtung ist einer Gold auf Platin Beschichtung dann vorzuziehen wenn ein Drucksensor starken mechanischen Belastungen standhalten soll 42 6 1 2 Elektrische Anschl sse Die elektrische Verbindun
9. 5 1 4 Betriebseinschr nkungen der Einzelkomponenten Die Einsetzbarkeit des Versuchsstands unter verschiedenen Umgebungsbedingun gen ist begrenzt durch die Betriebsbedingungen unter denen die Einzelkompo nenten zuverl ssig funktionieren Der Engpass sind hierbei die Schnellschaltventile V4 und V5 deren zul ssige Fluidtemperaturbereiche zwischen 5 C und 40 C liegen Bedingt durch seine notwendige Einbaulage zwischen Druckspeicher und Sensorengruppe muss V4 mit einem gek hlten erw rmten Fluid als Arbeitsmedium betrieben werden wenn im Druckspeicher Luft einer bestimmten Temperatur bereit gestellt werden soll Weitere Komponenten mit einem sehr eingeschr nkten Temperaturbereich sind Elek tronikbauteile die fest auf dem Versuchsstand integriert sind Diese k nnten aller dings auch extern platziert werden Die PVDF Sensormembran darf die Depolarisa tionstemperatur von ca 160 C nicht berschreiten Das Druckregelventil DRV Fest03 steuert den niedrigen Druckbereich zwischen 0 und 8 kPa nicht an 35 5 1 5 Sensorkalibrierung Die notwendige Kalibrierung der Referenzdrucksensoren S2 und S4 durch den Pr zi sionsdrucksensor S1 wird durch berlagerung der linearen Kennlinien des Signals des zu kalibrierenden Sensors S mit dem Signal des Pr zisionsdrucksensors SP erreicht Zu diesem Zweck werden vor Messungsbeginn die Signale bei zwei ver schiedenen Dr cken P 0 kPa P2 100 kPa aufgenommen wobei der Softw
10. Bi b by C Co Cpvor v Cw CLuft Fl che Gr e der gesamten metallisierten Fl che der PVDF Folie Fl che der gesamten metallisierten Fl che der PVDF Folie bei 0 C Fl che der PVDF Folie n 1 2 Fl che der PVDF Folie bei 0 C n 1 2 Minimal erlaubte Fl che der PVDF Folie n 1 2 Kalibrierungskoeffizient Beschleunigung des Drucksensors Maximal erlaubte Beschleunigung des Drucksensors Temperaturleitf higkeit Temperaturleitzahl Biot Zahl Kalibrierungskoeffizient Kritisches Druckverh ltnis Elektrische Kapazit t Kapazit t eines parallel zur PVDF Folie angeschlossenen Kondensators oder eines Kondensators im Ladungsverst r ker Kapazit t der PVDF Folie Pneumatischer Leitwert W rmekapazit t der PVDF Folie Schallgeschwindigkeit in Luft Ladungsdichte in n Richtung verursacht durch die mechanische Spannung in n Richtung n 1 3 Drahtdurchmesser Fick scher Diffusionskoeffizient Durchmesser n 1 2 Durchmesser der Schwei zone mit Draht Piezoelektrischer Modul in n Richtung n 1 3 Realteil des piezoelektrischen Moduls in n Richtung n 1 3 Elastizit tsmodul der PVDF Folie Speichermodul f r die Zugdeformation Verlustmodul f r die Zugdeformation Kraft Absoluter Messfehler Durch Fluid verursachte Kraft Absoluter Linearit tsfehler Relativer Linearit tsfehler Absoluter Nullpunktfehler Fourier Zahl Durch PVDF Folie verursachte Kraft Relativer Messfehler Absoluter Steigungsfehle
11. Druckbelastungen 0 100 200 Druck kPa Abb 8 29 Ausgangssignal eines neuen PVDF Drucksensors am Anfang des Experiments nach 2 Millionen und nach 50 Million Druckbelastungen von 0 bis 100 kPa bei Raumtemperatur Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein PVDF Drucksensor mit 50 Millionen Druckbelastungen von 0 bis 100 kPa dreimal pro Sekunde bei Raumtemperatur be aufschlagt Das gesamte Experiment hat langer als 7 Monate gedauert Es konnten sehr geringf gige nderungen in der Sensorkennlinie vor und nach dem Experiment festgestellt werden Abb 8 29 Diese nderung der Kennlinie liegt innerhalb des 111 vom Lastenheft geforderten Toleranzrahmens von 10 Der Drucksensor war nach 50 Millionen Druckbelastungen in einem guten Zustand und k nnte weiter benutzt werden 8 5 2 Alterung bei einer konstanten Druckbelastung Die Alterung von PVDF Drucksensoren wurde auch bei 65 C und 200 kPa konstan ter Druckbelastung untersucht Einmal pro Woche wurde die konstante Druckbelas tung unterbrochen um die Sensorkennlinie zu messen Diese Experimente haben gezeigt dass das Sensorsignal sich in der ersten Woche der statischen Belastung verringert und sich danach nur sehr geringf gig ndert Abb 8 30 Das deutet darauf hin dass jeder Drucksensor nach der Herstellung unter einer statischen Druckbelastung gealtert werden sollte Dadurch stellen sich w hrend der Betriebs dauer nur noch minimale nderungen der Kennlinie ein
12. Feet EN A ee AM TEO 7 68 2 Bi ANG 2 Bi AT T AT t 0 Damit ergibt sich nach Gleichungen 7 62 7 63 und 7 66 die Temperaturausgleichs zeit Zu Ae 1 ne _ Le Prevor Cw A mAl t 9 _ a 2 Bi Alle A 2a L AT T _ P PVDF Cw Le In AT T 0 7 69 2a AT T Wenn die PVDF Folie nur von einer Seite erwarmt wird ergibt sich nach Gleichungen 7 64 und 7 69 _ Prvor Cwt In AT T 0 a AT r T 7 70 w Wenn die PVDF Folie von beiden Seiten erw rmt wird ergibt sich nach Gleichung 7 65 und 7 69 _ Prvor Cwt AT t 0 T n 2a AT T 7 71 Nach Gleichung 7 70 ergibt sich eine Temperaturausgleichszeit auf 1 der urspr ng lichen Temperaturdifferenz zu W rmekapazit t Cw 1200 J kgK Dichte Ppvor 1780 kg m Membrandicke t 28 um W rme bergangskoeffizient aw 6 W mfK 1780 1200 28 10 100 r pg 6 1 46S Die Temperaturausgleichszeit auf 50 der urspr nglichen Temperaturdifferenz ergibt sich nach Gleichung 7 70 zu 70 1780 1200 28 10 100 T In 6 50 Aus Gleichungen 7 61 und 7 70 folgt Aw TS AM Prvr Cw 7 72 AT t 0 Die Temperaturausgleichszeit der PVDF Membran an die Umgebungstemperatur ist aufgrund der geringen Membranstarke gering Es muss aber ber cksichtigt werden dass es in einem Druckw chter zwischen der PVDF Folie und der hei en Luft eine Lufts ule mit der Temperatur To gibt Die W rme muss durch diese Lufts ule propa gieren um d
13. Oxalic acid 100 Ozone 20 Paraffin oil lt 120 7 days Pectin 50 Perchloric acid 100 Perchloroethylene lt 50 7 days Perchloroethylene lt 75 7 days Petroleum lt 135 Petroleum spirits 100 Phenol 100 lt 50 7 days Phenol 10 lt 75 7 days Phenol 10 lt 100 9 Phosphine 50 Phosphoric acid 90 100 Phosphorous chlorides 20 Phosphorous chlorides 100 Phosphorous pentoxide 100 Phthalic acid 100 Picric acid 100 Potassium dichromate 50 lt 150 7 days Potassium hydroxide 50 lt 100 7 days Potassium hydroxide 50 lt 125 Potassium nitrate 50 lt 150 7 days Potassium perchlorate Saturated 50 Potassium permanganate 50 lt 150 7 days Propane lt 150 7 days Propanol lt 50 7 days Pyridine 20 Pyridine 100 Sea water 100 Silicic acid 100 Silicone oil lt 125 7 days Silver nitrate 100 Sodium acetate every 50 Sodium carbonate 100 Sodium chlorite 50 lt 150 7 days Sodium hydrogen 50 lt 150 7 days carbonate Sodium hydroxide 45 lt 100 7 days Sodium hydroxide 45 lt 125 o Sodium hydroxide 60 lt 50 7 days Sodium hydroxide 60 lt 75 7 days Sodium hydroxide 60 100 Sodium peroxide 100 Sodium silicate 100 Sodium sulphide 100 Sodium thiosulfate 50 lt 150 7 days Stannic chloride 100 Starch 100 Sugar syrups amp
14. Pyroelektrischer p3 30 10 40 10 C m K Koeffizient Maximale 750 30 750 30 V mil Gleichstrom Betriebsspannung V um bei 25 C 1mil 25 4um berschlags Es 80 80 V um Gleichstrom spannung bei 25 C Koerzitivfeldst rke Ec 50 80 MV m PVDF Folien allgemein Dielektrizit ts Er 12 13 7 8 Ep 8 85 10 konstante C J m Dielektrische tan 0 02 0 015 bei 1 KHz Verlustfaktor Kapazit t Cpvor 380 f r 68 f r pF cm 28um 100um bei IKHz Volumetrischer Des gt 10 gt 10 Qm spezifischer Widerstand Flachenwiderstand Rp 10 3 Q oder PVDF Folien f r PVDF Q square allgemein Flachenwiderstand Rxia lt 3 0 lt 3 0 Q oder f r NiAl O square Metallisierung 131 Fl chenwiderstand Rag 0 1 0 1 Q oder fur Ag Metallisierung Q square Elastizitatsmodul E 2 4 3 5 GPa Kompressionsmodul Kx 4 3 GPa PVDF Folien allgemein Querdehnungszahl v 0 18 0 348 acou good Vino02b Querdehnungszahl Voy 0 1 Tasa81 einachsig gereckte PVDF Folie Querdehnungszahl V31 0 8 Tasa81 einachsig gereckte PVDF Folie Streckfestigkeit Oy 45 55 20 30 MPa Spannachse Absch rfungswiderst Ra 24 mg 1000 PVDF Folien and ASTM D1044 Zyklen allgemein Reibungskoeffizient Rr 0 2 0 4 PVDF Folien allgemein Langsbruchdehnung EL 14 20 Einachsige PVDF Folien allgemein Scherebruch Es 300 450 Einachsige dehnung PVDF Folien a
15. entwicklung von Druckw chtern f r die Ventil berwachung aus Polyvinylidenfluorid Von der Fakult t f r Maschinenwesen der Rheinisch Westf lischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Aleksandr Shirinov aus Gagra Georgien Berichter Uhniversit tsprofessor Dr rer nat Werner Karl Schomburg Universitatsprofessor Dr Ing Hubertus Murrenhoff Tag der m ndlichen Pr fung 30 Marz 2007 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verf gbar Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2004 bis 2006 w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehr und Forschungsgebiet Konstruk tion und Entwicklung von Mikrosystemen KEmikro an der Rheinisch Westf li schen Technischen Hochschule Aachen Mein Dank gilt allen die auf verschiedene Weise einen Beitrag zum Zustande kommen dieser Arbeit geleistet haben Besonderes erw hnen m chte ich dabei meinen Doktorvater Institutsleiter Herrn Prof Dr rer nat Karl Werner Schomburg der mit pers nlichem Interesse diese Arbeit ber die Jahre hinweg betreut und gef rdert hat F r seine hilfreichen Anregungen konstruktive Kritik gro z gige Unterst tzung beim Erstellen der Arbeit und Erstellung des Gutachtens danke ich ihm herzlich Ebenso danke ich Herrn Prof Dr Ing Hubertus Murrenhoff Leit
16. 0 100 200 300 Zeit s Abb 8 26 Widerstand einer PVDF Folie bei 120 C nach dem Anlegen von 10 V 8 5 Alterung 8 5 1 Alterung bei wechselnder Druckbelastung Die Alterung von Drucksensoren wurde bei verschiedenen Dr cken und Temperatu ren untersucht Es wurde festgestellt dass die Ausgangsspannung von Drucksenso ren w hrend ihrer Alterung sinkt Die Ausgangsspannung sinkt bei gro en Tempera turen und Dr cken schneller Sie ndert sich fast nicht bei kleinen Temperaturen und Dr cken Unten sind nderungen im Ausgangssignal des Drucksensors bei unter schiedlichen Temperaturen und Dr cken dargestellt Die Alterung eines PVDF Drucksensors wurde bei 35 C und bei Druck nderungen von 0 bis 200 kPa untersucht Das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors nderte sich nach 1 Million Druckzyklen von 0 bis 200 kPa nicht Abb 8 27 links Auch nach 1 Million Druckzyklen von 0 bis 100 kPa ergab sich bei 35 C bzw 20 C Abb 8 27 rechts keine Anderung e _ Rechteck am Anfang SU z 1 5 a Dreieck nach 1 Million Z 2 Druckbelastungen Rechteck am Anfang S Dreieck nach 1 Million n o O 9 Druckbelastungen 0 100 200 0 50 100 Druck kPa Druck kPa Abb 8 27 Ausgangssignal eines neuen PVDF Drucksensors am Anfang des Experiments und nach 1 Million Druckbelastungen von 0 bis 200 kPa bei 35 C links und nach 1 Million Druckbelastungen von 0 bis 100 kPa bei 20 rechts 110 Das glei
17. 2 analoge Ausg nge 8 digitale Ein Ausg nge und 2 24Bit digitale Z hler Timer Ein Ausg nge NI06 Die analogen Eing nge sind A D Wandler mit 16 Bit Aufl sung und einem Messbereich von 0 05V bis 10V und 333 KS s Kilo Samples per second Abtastrate Die analogen Ausg nge sind D A Wandler mit 16 Bit Aufl sung 10 V Ausgangsspannung und 333 KS s Abtastrate Digitale Ein und Ausg nge und Z hler Ein und Ausg nge haben TTL CMOS Spannungsniveau Mess und Steuersystem des Messstandes Verst rker f r PT100 Sensor PXMD Drucksensor Kommunikations Schaltung Abb 5 3 Schematische Darstellung des Mess und Steuersystem des Pr fstands Die Spannungen der Drucksensoren S2 S4 der Drucksensor des Druckregelventils DRV der Temperatursensor S3 und die PVDF Drucksensoren werden mit der NI 33 PCI 6052E Messkarte ausgelesen und im Computer verarbeitet Das Signal des Drucksensors S1 wird ber die RS 232 Schnittstelle an den Computer bermittelt Mit einem analogen Ausgang wird das Druckregelventil angesteuert Ein weiterer analoger Ausgang wird als Spannungsquelle f r die Widerstandsmessung benutzt vgl Kapitel 8 4 4 Die Schaltventile V4 und V5 werden mit den Z hlerausg ngen angesteuert Die Ventile V1 V6 V8 V9 und V10 werden mit digitalen Ausg ngen angesteuert Der Klimaschrank KS wird mit dem Computer ber die RS 232 Schnittstelle ange steuert Es ist auch m glich unterschiedliche zeitliche
18. 2 Al Am anang D Cc ii f pes 3 Rechteck nach 1 Woche m Dreieck nach 2 Wochen Kreis nach 3 Wochen 0 100 200 Druck kPa Abb 8 30 Ausgangssignal eines neuen PVDF Drucksensors am Anfang des Experiments nach 1 nach 2 und nach 3 Wochen der Belastung mit konstanten 200 kPa Druck bei 65 TC Die Untersuchungen von zweiachsig gestreckten 25 um dicken PVDF Folien mit Gold auf Platin Beschichtung zeigten dass diese Folien ca dreimal schneller kriechen als bei den Experimenten mit den oben beschriebenen einachsig gestreckten 28 um dicken PVDF Folien mit Silbertinte Beschichtung Die langsamere Alterung von einachsig gestreckten PVDF Folien kann an folgenden Gr nden liegen 1 Die einachsig gestreckte Folie ist dicker als die zweiachsig gestreckte Folie und dickere Folien kriechen langsamer und k nnen eine gr ere Druckbelas tung aushalten die einachsig gestreckte Folie hat eine dickere Metallbeschichtung als die zweiachsig gestreckte Folie 6 um Silbertintebeschichtung gegen ber 70 nm Gold auf Platin Beschichtung auf jeder Folienseite Die dickere Metallbeschichtung gibt der Folie eine bessere mechanische Stabilit t 3 die einachsig gestreckten PVDF Folien haben in Streckrichtung eine gr ere Streckfestigkeit und k nnen deshalb einen gr eren Druck aushalten gt Die Alterung von PVDF Drucksensoren wird langsamer wenn dickere PVDF Folien mit kleineren Durchmessern der Sensorfl che benutzt werde
19. 6 1 Komponenten eines PVDF Drucksensors Der in Kapitel 7 beschriebene Druckw chter besteht aus folgenden Komponenten 1 metallbeschichtete polarisierte PVDF Folie Dr hte f r die Verbindung der PVDF Folie mit der elektronischen Schaltung 3 Geh use elektronische Schaltung mit einem Temperatursensor f r die Signalverst r kung Signalverarbeitung und Temperaturkompensation 6 1 1 PVDF Folien Metallbeschichtete polarisierte PVDF und Copolymer Folien k nnen von folgenden Firmen gekauft werden Measurement Specialities Inc USA Precision Acoustics Ltd UK PIEZOTECH S A FR AIRMAR Technology Corporation USA usw Die PVDF Folien von unterschiedlichen Herstellern haben eine Dicke von 9um bis 515 um und k nnen mit Silber Gold Kupfer und anderen Metallen oder Legie rungen beschichtet sein Einige Hersteller bieten piezoelektrische PVDF Folien mit Metallbeschichtung nach kundenspezifischem Muster an Aus solchen Folien in einem Format von ca DIN A4 k nnen mehrere kleine Folien f r einzelne PVDF Druckw chter ausgeschnitten werden Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden PVDF Drucksensoren aus drei Folien typen aufgebaut 1 Einachsig gestreckte 28 um dicke PVDF Folie mit beidseitiger 6 um dicker Silber Tinten Beschichtung Die Gesamtdicke der Folie betr gt 40 um Diese Folie ist bei Measurement Specialities Inc USA hergestellt Die Toleranz f r die piezoelektrischen Module dieser PVDF Folie betr gt 20
20. Bei Folie 1 stimmt die Orientierung mit der X Richtung Uberein bei Folie 2 liegt sie dazu senkrecht Bereich 3 symbolisiert die Klebestelle des Sensors Schumacher hat festgestellt dass zu den Nachteilen dieses Sensors eine hohe Tem peraturabhangigkeit und geringe Empfindlichkeit von ca 38 10 geh ren a Schu91 3 3 5 Sensor nach dem Prinzip der Kapazit tsmessung einer PVDF Folie Drucksensoren auf der Basis von PVDF Folien k nnen auch auf dem Prinzip einer kapazitiven Messung aufbauen PVDF Folien mit beidseitiger Metallbeschichtung werden mit Druck belastet und die Kapazit t dieser Folien wird gemessen PVDF Folien in solchen Drucksensoren m ssen nicht polarisiert werden Dehnungsmess streifen und Drucksensoren nach dem kapazitiven Messprinzip aus PVDF Folien wurden bei Arshak et al entwickelt Arsh00 Arsh05 ArshO6a ArshO6b Das Funk tionsprinzip von kapazitiven PVDF Drucksensoren kann anhand von Abb 3 3 erkl rt werden Die Kapazit t der beidseitig metallbeschichteten PVDF Folie wird mit einer elektroni schen Schaltung gemessen Wenn ein Druck an die PVDF Folie angelegt wird wird die Folie komprimiert Gleichzeitig ndert sich die Dielektrizit tskonstante der PVDF Folie siehe Abb 4 8 Die Anderung der Dicke der PVDF Folie f r Dr cke bis 100 kPa ist vernachl ssigbar klein E 2 GPa gt P _ 100 kPa t E 2GPa 5 10 Metallbeschichtung l Druck Geh use Nimm SSSSLLELELLEE AA AAA AAEM AAA 077
21. C 2 6 2 4 2 2 2 0 gt Tv 1 8 H F gt QO 16 4 s Sal 4 7 F 1 2 x F X EEE 1 0 j EN F er ma 1 QO Sg i FE LSC 06 L A 1 re a L L 4 L 50 05 1 0 1 5 cii log t min Abb 4 14 nderung von Nachgiebigkeit s t w hrend des Kriechens von PVDF Fasern bei verschiedenen Temperaturen und einer mechanischen Spannung von 10 MPa Mano03 Die Kriechrate h ngt stark von der Polymertemperatur den Mittelwertspannungen der zyklischen Amplitude der Frequenz und der Wellenform der zyklischen mechani schen Spannung ab Vino01 Vino03 Es gibt zwei Hauptgr nde f r die Alterung durch eine zyklische Belastung die Schadensentwicklung und die interne Erw r mung Der Charakter des Schadensentwicklungsprozesses bei zyklischen Spannun gen ist anders als bei quasistatischen Spannungen Das quasistatische Kriechen ist durch kontinuierliche gleichm ige mikrostrukturelle Ver nderung des Materials charakterisiert Zu Beginn des Kriechens tendieren die lokalen Sch den zur progressiven Entwicklung Risse W hrend sich dagegen beim zyklischen Kriechen die Risse viel fr her ausbilden n mlich fast am Anfang der Deformation Vino01 In Polymeren treten bei einer zyklischen Belastung sehr schnell Risse auf Diese Risse wachsen mit der Zeit in ihrer Anzahl und Gr e sie wachsen zusammen und breiten sich durch das Polymer aus Das Verhalten des Polymers unter einer berlagerten statischen und zyklischen Belastun
22. Gerhardy Puttachat Khuntontong Seung Mo Lee Dr Andreas Schmitz Dayong Ye bedanke ich mich f r die gute wissenschaftliche Zusammenarbeit die stete Hilfs bereitschaft und die freundschaftliche und herzliche Atmosph re Meinen Eltern und Angeh rigen gilt mein tiefster Dank denn ohne sie w re es mir nicht m glich gewesen diese Arbeit durchzuf hren da sie mir ein steter R ckhalt waren Aachen im Dezember 2006 Aleksandr Shirinov Kurzfassung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden neuartige Drucksensoren f r die ber wachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen entwickelt F r die Ventil berwachung muss festgestellt werden ob ein Schaltsignal wirklich zu einer Ande rung des Druckabfalls ber dem Ventilsitz f hrt Dazu reicht es aus das Uber oder Unterschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle zu erfassen Dabei darf der Preis des Drucksensors nur einen Bruchteil des Ventilpreises betragen Mit dem Ziel solche kosteng nstigen Drucksensoren herzustellen wurden unter schiedliche Konzepte f r Drucksensoren erarbeitet Der Vergleich der Konzepte f hr te zu dem Ergebnis dass ein Drucksensor aus dem Polymer Polyvinylidenfluorid PVDF die beste L sung w re Dabei bestehen das Sensorelement aus einer metall beschichteten piezoelektrischen PVDF Folie und das Sensorgeh use aus nicht piezoelektrischem PVDF In der vorliegenden Arbeit werden Gleichungen hergeleitet und angegeben mit de nen sich die Kennlin
23. Referenzdrucksensor und vom Schnellschaltventil An jeder Art Eingangssignal werden dabei dieselben Auswertungen vorgenommen wo bei nur bestimmte Auswertegr en bei der Kennlinienerstellung verwendet werden siehe Kapitel 8 1 2 Gespeichert werden die Messdaten in Feldern Der Zugriff auf den Feldinhalt erfolgt ber den Feldindex wobei bei einer Abtastrate von 1 kHz der Differenz zwischen zwei Feldindices eine zeitliche Differenz von 1 ms zugeordnet werden kann Von den gemessenen Signalen S werden die Feldindices bei steigender und fallen der Signalflanke des Schnellschaltventils fein Jaus sowie die zugeh rigen Signalwerte S jein 1 SU aus ermittelt Die Aufnahme des Messwertes bei steigender Signalflan ke S jein 1 erfolgt aufgrund von geringf gigen Asynchronit ten des Ein Ausschalt signals des Schnellschaltventils einen Feldindex vorher Ferner wird vom untersuchten Signal das Maximum w hrend der Druckbelastung ermittelt max S Im Signalbereich von 60 bis 90 der tats chlichen Dauer der Druckbeaufschla gung jaus fein durch das Schnellschaltventil wird eine Mittelwertbildung durchgef hrt Gleichung 8 1 Die prozentualen Mittelungsgrenzen sind einstellbar die errechne ten Indexgrenzen werden auf ganze Zahlen gerundet 1 M aS AH Fre rs mit J join 0 6 Jaus Jein J join 09 Gaus Fein 8 1 S PD a papel ger Errechnet werden ferner die Signalanderungen von Maximum
24. chter kann Anhand von Abbildung 1 1 erkl rt werden Der Druckw chter besteht aus einem oberen und einem unteren Geh use teil und einer dazwischen freih ngenden piezoelektrischen PVDF Folie Die PVDF Folie ist auf beiden Seiten mit Metallelektroden beschichtet Beiden Elektroden der PVDF Folie sind ber elektrische Leitungen mit einem Verst rker verbunden Wenn ein Druck an die PVDF Folie angelegt wird wird die Folie gedehnt und erzeugt eine elektrische Ladung und eine entsprechende elektrische Spannung Die elektrische Ladung und elektrische Spannung sind proportional zur Gr e des angelegten Druckes Das Ausgangssignal wird mit einem Verst rker verst rkt und in einen Kom parator mit einer vorgegebenen Druckschwelle verglichen Bei Unter oder ber schreitung der Druckschwelle erzeugt der Druckw chter ein Ausgangssignal PVDF Folie Druck Geh use Verst rker Komparator J KX N Wr QWN Abb 1 1 Funktionsprinzip des PVDF Druckw chers Druckschwelle Druckwachter nach oben dargestelltem Konzept wurden hergestellt und Ihre Eigen schaften wurden untersucht und mit den Anforderungen des Lastenheftes verglichen Au erdem wurde ein Demonstrator aufgebaut mit dem der Ausfall eines Ventils simuliert und so die Funktion eines Druckwachters berpr ft werden kann In Kapitel 2 werden Prinzipien der Ventil berwachung mit Hilfe von Druckw chtern vorgestellt Kapitel 3 analysiert die schon am Markt oder aus der Literat
25. chter nach dem getrennten Tempern von Folie und Geh use her gestellt wird Das kann zur Anderung des Ausgangssignals des Druckw chters f hren Der Druckw chter wird unter einer Druckbelastung getempert Fall 3 um das Krie chen der PVDF Folie w hrend des Betriebs zu minimieren W hrend des Temperns unter Druckbelastung finden Kriechen und Relaxationsprozesse in der PVDF Folie statt Die Polymerketten werden dadurch umgeordnet schwache molekulare Verbin dungen gebrochen und die starke molekulare Verbindungen beibehalten Das Ausgangssignal eines solchen PVDF Drucksensors ndert sich im Dauerbetrieb nach langfristigen dynamischen und statischen Druckbelastungen nicht oder nur geringf gig In Kapitel 8 5 2 wird das Tempern der PVDF Druckw chter beschrieben und der Ein fluss des Temperns auf deren Eigenschaften im Detail untersucht 6 3 Stanzen von PVDF Folien Aus einer gro en PVDF Folie k nnen mit einem Stanzwerkzeug gleichzeitig mehrere kleine PVDF Folien ausgeschnitten werden Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daf r ein Stanzwerkzeug entworfen und gebaut Dieses Stanzwerkzeug ist nur f r das Stanzen einer Folie geeignet es ist aber auch m glich und erscheint f r eine Serienproduktion sinnvoll mit einem gr eren Stanzwerkzeug mit jedem Fertigungs schritt mehrere Folien zuzuschneiden In Abbildung 6 5 sind das Stanzwerkzeug und seine Komponenten dargestellt SE Abb 6 5 Stanzwerkzeug f r PVDF Folien li
26. je nach Gr e 5 25 Cent Elektronische Komponenten und Anschl sse 1 2 Der Preis der Sensorfertigung konnte nicht abgesch tzt werden weil er von den jeweili gen Gegebenheiten beim Hersteller stark abh ngt Bei einer Herstellung in gro en Mengen kann der Preis der Sensorkomponenten noch geringer ausfallen Ausblick Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Sensor entwickelt mit dem Druck nderungen mithilfe des piezoelektrischen Effektes gemessen werden Einer der herausragenden Vorteile dieses Sensorkonzeptes ist es dass ohne weiteres Aus gangsspannungen von mehreren Volt erreicht werden Nachteilig ist jedoch dass statische Dr cke nicht gemessen werden k nnen Statische Dr cke k nnen mit dem hier vorgestellten Sensor auch gemessen werden wenn der umgekehrte piezoelektrische Effekt genutzt wird um die Sensormembran in mechanische Schwingungen zu versetzten und die Resonanzfrequenz der Mem 119 bran zu messen Die Resonanzfrequenz ist proportional zur Druckdifferenz ber der Membran Bedacht werden m sste dabei dass nicht nur die Druckdifferenz ber der Membran sondern auch eine ganze Reihe anderer Effekte Einfluss auf die Reso nanzfrequenz haben wie z B die Temperatur das Aussenden von Schallsignalen die Dichte des umgebenden und mitschwingenden Mediums und Ablagerungen auf der Membran In der Literatur finden sich auch Ans tze die Resonanzfrequenz von Dickenschwin gungen einer piezoelektrisc
27. kPa Abb 8 32 Ausgangssignal eines Drucksensors mit 515 um dicker PVDF Folie 114 8 8 Zustand berwachung von pneumatischen Ventilen mit Hilfe von Druckw chtern PVDF Druckw chter k nnen f r die berwachung der Ventilfunktion am Eingang am Ausgang oder zwischen dem Eingang und dem Ausgang von Ventilen eingebaut werden Mehr ber den Einbau von Druckw chtern in Ventilen ist in Kapitel 2 be schrieben PVDF Druckw chter mit relativ gro en Abmessungen k nnen au erhalb des Ventils montiert werden PVDF Druckw chter mit kleinen Abmessungen k nnen direkt in ein Ventil eingebaut werden Wenn die Druck nderung am PVDF Druck w chter eine bestimmte Schwelle berschreitet wird am Ausgang des Druckw ch ters ein Signal ausgegeben Die M glichkeit mit Hilfe eines PVDF Druckw chters die Funktion eines Ventils zu kontrollieren wurde mit Hilfe eines Demonstrators gezeigt Ein im Rahmen der vor liegenden Arbeit entwickelter Demonstrator ist in Abb 8 33 dargestellt Die schema tische Darstellung des Demonstrators ist in Abbildung 8 34 dargestellt Anzeige und Steuerelektronik Auswertelektronik Steuerpanelle Druckreaelventil _Schaltventil Druckw chter Abb 8 33 Demonstrator f r die berwachung von Ventilen mit Hilfe von PVDF Druckw chtern Der Demonstrator kann unterschiedliche Fehlerzust nde des Ventils simulieren z B das Ventil schaltet nicht ein wenn das entsprechende Schaltsignal anliegt das Vent
28. wird die PVDF Folie kurzgeschlossen Wenn keine Betriebsst rung des Ventils vorliegt wird es mit einem hohen Steuersignal ge ffnet und schlie t bei einem niedrigen Signal Solange das Steuersignal f r das Ventil niedrig ist schlie t der Schalter die PVDF Folie kurz Wenn das Steuersignal f r das Ventil ver ndert wird ffnet der Schalter f r eine bestimmte Zeit r bzw t4 und das Signal der PVDF Folie liegt am Verst rker an Danach schlie t der Schalter die PVDF Folie wieder kurz Wenn innerhalb der Zeit 7 bzw z eine Ver nderung der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden der PVDF Folie eintritt wird sie mit dem Verst rker um einem Faktor der von der Temperatur abh ngig ist verst rkt und der Komparator stellt fest ob das so erzeugte Signal gr er ist als eine vom Steuersignalgenerator vorgegebene Schwelle Wenn das verst rkte Signal der PVDF Folie die Schwelle berschreitet wird am Sensorausgang das richtige Funktio nieren des Ventils angezeigt Andernfalls wird eine Fehlfunktion angezeigt Es ist auch m glich wie im unteren Teil von Abbildung 7 9 gezeigt den Steuersignal generator so einzustellen dass nach dem Signal f r das ffnen des Ventils in der Zeit t berpr ft wird ob das Ventil wirklich ge ffnet hat Danach wird die PVDF Folie f r die Zeit zt kurzgeschlossen um anschlie end die elektrische Spannung der PVDF Folie solange auf eine berschreitung der vorgegebenen Schwelle zu ber wachen bis da
29. 40 bis 80 Die Kapazit t Co in der elektronischen Schaltung betr gt 3 3 nF Wenn Co 0 PVDF wird diese Temperaturabh ngigkeit so wie die in Abb 8 14 dargestellte Temperatur 98 Co abh ngigkeit aussehen Wenn wird die Temperaturabh ngigkeit so wie PVDF in Abb 8 13 dargestellt aussehen Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur von Drucksensoren mit zwei achsig gestreckter PVDF Folie mit Gold auf Platin Beschichtung Das Ausgangssignal von zweiachsig gestreckter 25 um dicker PVDF Folie mit einer 70 nm dicken Gold auf Platin Beschichtung wurde im Temperaturbereich von 20 C bis 80 C mit 20 C Schritten gemessen Als Auswertelektronik wurde ein Span nungsverst rker mit Kapazit tsspannungsteiler verwendet Das Ausgangssignal des Drucksensors ist in Abb 8 16 dargestellt 4 3 7 zer Zu ve ey gt N gt 0 a an e 200 kPa 5 2 ee 150 kPa g a 100 kPa 09 14 Oe 50 kPa 0 T T T T T l 30 10 10 30 50 70 90 Temperatur C Abb 8 16 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors mit einer zweiachsig gestreckte PVDF Folie im Temperaturbereich von 20 bis 80 Die unterschiedliche Temperaturabh ngigkeit von Drucksensoren mit einachsig und zweiachsig gestreckten PVDF Folien kann an unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften dieser Folien am Unterschied in der Dicke der Metallbeschichtung und am unterschiedlichen Verfahren zur Polarisierung der PVDF Folien liegen 8 2 12 Ar
30. EP1030064A1 Anmelder Festo KG amp Co 73734 Esslingen DE Ver ffentlichungstag 23 08 2000 Patentblatt 2000 34 Wall L A and Strauss S J Research National Bureau of Standards 65 p 227 1961 Betriebsanleitung K lte W rme Klimapr fschrank Typ SB11 160 40 Weiss Umwelttechnik GmbH D 35447 Reiskirchen Lindenstruth Germany 1994 PVDF Film Westlake Product Bulletin Westlake Plastics Company World Headquarters P O Box 127 Lenni PA 19052 2001 Nan Yang Aufbau einer Testeinrichtung f r pneumatische Mikrodrucksensoren Studienarbeit an der RWTH Aachen LuF Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen KEmikro 2005 Yantao Shen Ning Xi King W C Lai Wen J Li A novel PVDF microforce force rate sensor for practical applications in Micromanipulation Emerald Group Publishing Limited Sensor Review Volume 24 Number 3 2004 pp 274 283 Zahng A L Seligman P M Klein A Cowan R Implantable Acoustic Sensor US Patent 2005177204 Publication date 11 August 2005 Z ppig V Feindt K Str hla T Kallenbach E Mechatronic drive concepts for pneumatic mini valves 5 International Fluid Power Conference Aachen Germany 20 22 M rz 2006 11 Anhang Technische Eigenschaften von PVDF Folien Der Prozess der Umwandlung eines inerten PVDF Polymers in eine gerichtete piezoelektrische Folie ist kompliziert und l uft in mehreren Stadien ab Zum Teil aus diesem Grund und zum Teil wegen der Zuf lligkeit
31. Fria _ At Pevor 4i AL gia PFmia 4i t Ppvor Y LFluid P Fluid Ja 7 26 A A Angenommen der erlaubte Messfehler des Druckw chters betr gt APmin dann darf der bei der Beschleunigung verursachte Druck P max nicht gr er als AP min werden a lt AP nin H AP nin le 7 27 ED eye LFuid PFiuia L3 t Ppvor Lriid P Fluia g AP AP limax a H je 7 28 t P pypr Lriia P Fluia LS t Ppvor LFluid P Fluid g Wenn die minimale Druckschwelle 10 kPa betr gt und die Genauigkeit des Druck w chters 10 dann muss die Messgenauigkeit des Druckw chters APmin mindes tens 1 kPa betragen Dann gilt f r t 28 um ppvor 1780 kg m Lruic 10 m PrFiuid 1 293 kg m Luftdichte unter Normalbedingungen Py 101 3 kPa Ty 273 15 K 0 C AP 10 3 Og ee ae A TAE 2 2 10 g t Ppvor Lrwia Pria g 28 10 1780 10 1 293 9 80665 Daraus folgt dass eine Beschleunigung f r den Druckw chter keinen St rfaktor dar stellt weil die in den meisten industriellen Anwendungen auftretende Beschleunigun gen nicht gr er sind als es hier berechnet wurde Wenn als Fluid Wasser PFriuid 998 kg m bei T 20 C verwendet wird ergibt sich AP 10 Gi max E E E T 6 3 97 g t Ppvor Lrwia Priua g 28 10 1780 10 998 9 80665 Dieser Wert der Beschleunigung liegt nicht in den erlaubten Grenzen siehe Lasten heft Daraus folgt dass ein Druckw chter f r den Einsatz mit Fl ssigk
32. Geh useteilen steht erhitzt was zum Verschmelzen und Verschwei en der Geh useteile f hrt Das Schwei ger t ist im folgenden Kapitel beschrieben Abb 6 8 Unteres PVDF Geh useteil mit angebrachter PVDF Folie und zwei Anschlussdr hten 6 4 1 Thermoschwei ger t Das Thermoschwei ger t ohne Netzteil und Druckregelventil ist in Abb 6 9 darge stellt Das Schwei ger t besteht aus folgenden Komponenten 1 Spannungs und stromgeregeltes Netzteil 2 Schwei stromgenerator mit Timer 3 Handpresse mit Sensorhalterung 4 Druckregelventil 5 Druckluftk hler und 6 Steuerkonsole Am Thermoschwei ger t wird der PVDF Drucksensor mit dem Heizdraht befestigt Als Heizdraht wurde ein Widerstandsdraht nach DIN 46 461 CuNi44 auch Konstan tan genannt von Firma Block Transformatoren Elektronik GmbH amp Co KG verwendet Bloc06 Es wurde ein Draht mit 200 um Durchmesser mit der Bezeichnung RD 100 0 2 benutzt Beim Erhitzen baut Konstantan eine stabile elektrisch isolierende Oxidschicht auf seiner Oberfl che auf Deshalb bildet sich kein elektrischer Kontakt zu den elektrisch leitenden Teilen des PVDF Drucksensors aus Konstantan CuNi44 ist eine Legierung die aus 56 Kupfer und 44 Nickel besteht Der verwendete Heizdraht hat folgende Eigenschaften 1 2 x die h chste zul ssige Drahttemperatur betr gt 600 C der mittlere lineare W rmeausdehnungskoeffizient zwischen 20 und 100 C betr gt 13 5 10 K der
33. Germany March 2006 Hodate Masahito Pressure Switch Japan Patent Number JP2165529 Applicant Bridgestone Corp Publication Date 26 06 1990 Torben Howe Querempfindlichkeiten eines PVDF Drucksensors gegen ber Temperatur und Feuchtigkeit Studienarbeit an der RWTH Aachen LuF Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen 124 Huff92 lezz97 Knee04 Koal85 Kole98 Kreu89 Kuni05 Kurt03 Kurt05 Labv06 Lanc01 Lanc02 Lina96 Lina97 Liu97 Lum95 Lum98 Maki90 KEmikro 2005 Huff Michael A Schmidt Martin A Micromachined threshold pressure switch and method of manufacture US Patent Number US5164558 Applicant Massachusetts Inst Technology US Publication Date 17 11 1992 lezzi R A Fluropolymer Coatings For Architectural Application Modern Fluoropolymers John Wiley amp Sons 14 271 1997 R Kneer W rme und Stoff bertragung Vorlesungsskript RWTH Aachen WS 2004 2005 Koal Jan G Polymer piezoelectric sensor of animal foot pressure US Patent Number US4499394 Applicant Koal Jan G Publication Date 12 February 1985 Kolesar Edward Piezoelectric tactile sensor US Patent Number US5760530 Applicant US Army Publication Date 2 June 1998 Kreuter Paul E Pneumatic to Electrical Switch Assembly US Patent Number US4855545 Applicant Kreuter MFG Co Inc US Publication Date 08 08 1989 Kunioka Kenji Kurokawa Takahiro Pre
34. M Vinogradov S Schumacher Cyclic Creep of Polymers and Polymer Matrix Composites Mechanics of Composite Materials 37 1 29 34 January February 2001 Vinogradov A Schwartz M Ed 2002 Piezoelectricity in Polymers Encyclopedia of Smart Materials Volumes 1 2 John Wiley amp Sons 780 792 Vinogradov A M Schumacher S C Time Dependent Response of Thin Film Piezoelectric Polymer Polyvinylidene Fluoride Journal of Spacecraft and Rockets Vol 39 No 6 November December 2002 A Vinogradov Creep Fatigue Interaction in Polymers 16 Engineering Mechanics Conference American Society of Civil Engineering University of Washington Seattle July 16 18 2003 Installations und Betriebsanleitung Temperatur und Klimapr fschr nke VTL 4003 VTL 6003 VTL 4010 VTL 6010 VCL 4003 VCL 6003 VCL 128 Voge97 Voss05 Wagn00 wall61 Weis94 West01 Yang05 Yant04 Zahno5 Zoep06 4010 VCL 6010 VCL 0003 VCL 0010 mit Mincon 32 Steuerung V tsch Industrietechnik GmbH Frommern BeethovenstraBe 34 D 72336 Germany 2005 Gerthsen Physik H Vogel 19 Auflage 1997 ISBN 3 540 62988 2 pp 232 237 Vossenberg Heinz Georg Pressure Sensor for Contactless Pressure Measurement Micromechanical Pressure Switch and Micromechanical Pressure Change Sensor US Patent Number US 2005 0028598 A1 Publication Day 10 02 2005 Wagner Dietmar Druckschalter Europ ische Patent Nummer
35. Mano04 Mart95 Mate06 Merk99 Mijo97 MillO3 Miya04 Mlyn80 MSI99 Murr99 Nalw91 NI06 Oliv62 Peac74 Roch88 125 Saginomiya Seisakusho Inc Publication Date 28 03 1990 Mano J F Lopes J L Silva R A Brostow W Creep of PVDF monofilament sutures service performance prediction from short term tests Polymer July 2003 vol 44 iss 15 pp 4293 4300 8 Elsevier Science J F Mano V Sencadas A Mello Costa S Lanceros M ndez Dynamic mechanical analysis and creep behaviour of B PVDF films Materials Science and Engineering A 370 2004 336 340 Schl nder Martin Einf hrung in die W rme bertragung 8 Auflage Vieweg 1995 Mateiu R Lillemose M Hansen T S Boisen A Geschke O Poly 3 4 ethylenedioxythiophene PEDT strain gauge Poster M2B P7 v 1 pp 64 65 20 Eurosensors Conference G teborg Sweden 17 20 September 2006 G P Merker C Eiglmeier Fluid und W rmetransport W rme bertragung B G Tuebner Stuttgart Leipzig 1999 J Mijovic J W Sy T K Kwei Macromolecules 30 1997 3042 Miller Brian L Miller Dorothy H J Resonant Pressure Switch US Patent Number US 2003 0205448 A1 Assignee Xilor Inc Knoxville TN US Publication Date 6 11 2003 Yoshio Miyamoto Tsutomu Yamaguchi Electronic Digital Pressure Switch US Patent Number US 2004 0187585 A1 Publication Date 30 09 2004 Mlyniec Kenneth P Pressure responsive
36. PVDF Folie Dichte des Fluids Dichte der PVDF Folie Luftdichte im technischen Normzustand prn 1 184 Mechanische Spannung der PVDF Folie in 1 und 2 Richtung Mechanische Spannung bei nichtvorhandene Vorspannung der Folie ov 0 Durch die Dehnung der PVDF Folie hervorgerufene mecha nische Spannung Amplitude der mechanischen Spannung Mechanische Spannung der PVDF Folie in n Richtung n 1 3 Mechanische Vorspannung der PVDF Folie Zugspannung in X Richtung Streckfestigkeit Berstspannung der PVDF Folie Streckfestigkeit der PVDF Folie in 2 Richtung Zeit Druckanstiegszeit Zeitintervall in welchem der Druck seinen maximalen Wert erreicht hat Zeit in welcher die Spannung der PVDF Folie auf bis zu 30 der Anfangsspannung sinkt Kreisfrequenz Resonanzkreisfrequenz Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa Hz Hz 1 Einleitung In industriellen Anlagen kommt eine Vielzahl von Ventilen zum Einsatz Wenn eines der Ventile ausf llt ist die Fehlersuche oft sehr schwer und der entstehende Scha den sehr gro Deshalb w re es w nschenswert den tats chlichen Offnungszustand eines Ventils auf einfache Weise berpr fen zu k nnen Dazu reicht es in der Regel aus mit einem einfachen Druckw chter festzustellen ob ein vorgegebener Druck abfall ber dem Ventilsitz ber oder unterschritten wird Ein Druckw chter oder ein Druckschalter ist ein Druckaufnehmer welche nur bei der Uber oder Unterschreitung einer bestimmten Druc
37. Schwei verfahren noch nicht optimiert sind kommt es oft zur Leckage bei erh hten Dr cken und Temperaturen Wenn eine Leckage auftritt sinkt der elektrische Widerstand der PVDF Folie was zum schnellen Abklingen des Ausgangssignals des Drucksensors f hrt 8 3 2 Chemische Best ndigkeit Eine der Anforderungen an den Drucksensor ist dass er chemisch innert gegen ber vielen chemischen Substanzen sein soll Deshalb wurden die mit Silbertinte und Gold auf Platin beschichteten PVDF Folien in einigen starken S uren und L sungsmitteln getestet Die PVDF Folien wurden mit folgenden Chemikalien bei 101 Raumtemperatur getestet Ethylacetat 98 Tetrahydrofuran mind 99 Chloroform mind 99 Acetonitril mind 99 9 Ethanol mind 99 Trichlorethylen mind 99 Schwefels ure 95 97 und destilliertes Wasser Es ist zu erwarten dass ein Drucksensor der nach einer Behandlung mit solch starken S uren und L sungsmitteln noch funktioniert auch mit den meisten anderen Chemikalien funktionieren wird Die chemische Vertr glichkeit von PVDF Folien wurde in folgender Weise getestet ein kleiner Teil der PVDF Folie wurde in das PVDF Geh use eingebaut und das Aus gangssignal des PVDF Drucksensors wurde gemessen Danach wurde dieser Teil der PVDF Folie eine Woche lang bei Raumtemperatur in eine Chemikalie eingetaucht Nach einer Woche wurde die PVDF Folie aus der Chemikalie genommen mit destilliertem Wasser gesp lt und eine Stunde
38. Stra e 36 46 27283 Verden Germany 2006 Bower Robert W Mohd S Ismail Digital Pressure Switch and Method of Fabrication US Patent Number US005294760 Assignee The Regents of the University of California Oakland California Date of Patent 15 03 1994 Bredow Wolfgang Mehrstufenschalter Europ ische Patent Nummer EP740844 Anmelder NBB Nachrichtentechnik GMBH amp CO KG Ver ffentlichungstag der Anmeldung 17 01 1995 M Celina T R Dargaville R A Assink J W Martin Selection and Optimization of Piezoelectric Polyvinylidene Fluoride Polymers for Adaptive Optics in Space Environments High Performance Polymers Vol 17 No 4 575 592 2005 Mathew C Celina Tim R Dargaville Pavel M Chaplya Roger L Clough Piezoelectric PVDF Materials Performance and Operation Limits in Space Environments Materials Research Society Mater Res Soc Symp Proc Vol 851 2005 Chan H L W Ramelan A H Guy LL Price D C VF2 VF3 Copolymer Hydrophone for Ultrasonic Power Measurements Ultrasonics Symposium 1989 Proceedings IEEE 1989 Montreal Canada 3 6 Oct 1989 Chiu G S Chen H R and Huang R S Film Bulk Acoustic Wave Resonator Pressure Sensor Poster M2B P16 v 1 pp 82 83 20 Eurosensors Conference G teborg Sweden 17 20 September 2006 J Comyn Polymer Permeability Elsevier Applied Science Publishers 1985 Tim R Dargaville Mathew Celina Pavel M Chaplya Evaluation of piezoelectric poly vinylid
39. Temperatur ist im Allgemeinen nicht linear Das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors steigt bei geringen Dr cken schneller mit der Temperatur als bei hohen Dr cken Wenn sich die Tempe ratur von 40 C bis 50 C ndert steigt die Ausgangsspannung um einen Faktor 3 7 f r 50 kPa und um einen Faktor 2 2 f r 200 kPa Die Steigung der Ausgangsspan nung mit der Temperatur ist f r einen PVDF Drucksensor mit Spannungsverst rker und Widerstandsspannungsteiler viel geringer als f r einen Sensor mit Ladungsver st rker 4 200 kPa 150 kPa 20 100 kPa 50 kPa 50 30 10 10 30 50 70 90 Temperatur C Spannung V Abb 8 14 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors mit einem Spannungsverst rker mit Widerstandsspannungsteiler im Temperaturbereich von 40 bis 80 Ein PVDF Drucksensor mit Spannungsverstarker und Widerstandsspannungsteiler hat folgenden Nachteil um eine groBe Abklingzeit zu erreichen muss der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden der PVDF Folie sehr hoch gehalten werden h her als bei den beiden anderen in diesem Kapitel dargestellten elektronischen Schaltungen Das Eindringen von Feuchtigkeit in das Sensorgehause kann den 97 elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden der PVDF Folie verringern Des halb muss dieser Drucksensor in ein hermetisches Geh use eingebaut werden um das Eindringen von Feuchtigkeit in das Sensorgeh use zu vermeiden Die maximale Arbeitstemperatur f r den Dr
40. cken sind bei Barsky und Zhang beschrieben Bars89 Zhan05 3 3 2 Entwicklung von Hydrophonen aus PVDF Folien Hydrophone sind Ger te f r die Aufnahme von akustischen und Ultraschallwellen in Fl ssigkeiten Es gibt zwei Typen von Hydrophonen Membran und Nadelhydro phone Piezoelektrische PVDF Folien werden als Sensorelemente sowohl in Mem branhydrophonen Hahn05 Lum98 Scha91 als auch in Nadelhydrophonen Chan89 Hahn05 verwendet Bei Lum entwickelte Membranhydrophone k nnen Ultraschallwellen mit hoher Frequenz von 5 bis 150 MHz empfangen Lum95 Lum98 3 3 3 Taktiler Sensor Ein aktiver taktiler Sensor auf der Basis von piezoelektrischen PVDF Folien f r die Messung von auf die Sensoroberfl che wirkenden Kr ften und Dr cken wurde von Dvorsky et al entwickelt Dvor87 Dieser Sensor besteht aus einer piezoelektri schen Folie mit vielen Elektroden auf beiden Seiten der piezoelektrischen Folie an treibende Folie Die Elektroden formen eine Matrix mit N x M Sensorelementen auf der piezoelektrischen Folie welche getrennt aktiviert werden k nnen Auf der piezo elektrischen Folie ist eine isolierende Folie angebracht An der isolierenden Folie ist 10 eine piezoelektrische Folie befestigt sensitive Folie Diese piezoelektrische Folie hat auf beiden Seiten Elektroden Der taktile Sensor funktioniert folgenderma en an den Elektroden der antreibenden Folie wird eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude angelegt Die
41. data acquisition system suitable for monitoring environmental and physiological processes Biomolecular Engineering 23 2006 pp 253 257 Aya T and Nakayama T JSME Int J 40 3 343 348 1997 Baader Helmut Dr Dipl Phys Mehrfach Druckschalter Europaischer Patent Nummer EP0347904 A2 Anmelder Elektromanufaktur Zangenstein Hanauer GmbH amp Co Verdffentlichungstag der Anmeldung 27 12 89 Patentblatt 89 52 R Barbosa J A Mendes V Sencadas J F Mano and S Lanceros Mendez Chain Reorientation in PVDF Films Upon Transverse 122 Bars89 Bihl90 Bind04 Bloc06 Bowe94 Bred95 Celi05a Celi05b Chan89 Chiu06 Comy85 Darg05a Darg05b Mechanical Deformation Studied by SEM and Dielectric Relaxation Ferroelectrics 294 pp 73 83 2003 M F Barsky D K Lindner R O Claus Robot Gripper Control System Using PVDF Piezoelectric Sensors IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control Vol 36 No 1 January 1989 Eckardt Bihler Stabilitat des Piezoeffekts in Polyvinylidenfluorid PVDF Fortschrittberichte VDI Reihe 21 Elektrotechnik Nr 62 Stuttgart ISBN 3 18 146221 7 1990 Operating Manual APT Line Series BD ED FD E2 Microbiological Incubator Heating Oven Drying Oven with R3 Controller BINDER GmbH 78502 Tuttlingen Germany April 2004 Block Direkt Katalog Block Transformatoren Elektronik GmbH amp Co KG Max Planck
42. den piezoelektrischen Eigen schaften AIRM99 Die nderung der piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF Folien von AIRMAR Technology Corp nach einer Stunde Erw rmung bis zur vorgegebenen Temperatur ist in Abbildung 4 3 dargestellt Die piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF Folien ndern sich nicht weiter wenn sie l nger als eine Stunde auf eine bestimmte Temperatur erw rmt werden AIRM99 Die Benutzung von PVDF Folien bei Temperaturen ber 100 C f hrt zur Material alterung die Empfindlichkeit der PVDF Folien nimmt ab und es kommt zu schnellem Kriechen und der nderung von mechanischen Eigenschaften F r die PVDF Folien der Firma MSI betr gt der erlaubte Temperaturbereich von 40 C bis 80 100 C f r die Copolymer Folien ist die maximale Temperatur auf 115 bis 145 C begrenzt Dargaville et al haben PVDF und seine Copolymere bei unterschiedlichen Tempera turen getempert Celi05b Darg05a Es wurde festgestellt dass der d33 Koeffizient von PVDF Folien der Firma MSI USA Inc bei Raum Temperatur in den ersten Tagen nach dem Tempern bei 50 C 80 C bzw 125 C sinkt und danach konstant blieb Die Curie Temperatur der PVDF Folie ist gr er als die Schmelztemperatur Deshalb verschwinden die piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF Folien erst nach dem Schmelzen Wenn eine PVDF Folie auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt wird sinken die piezoelektrischen Koeffizienten in der ersten Zeit nac
43. der durch die Druck nderung generierten Spannung betr gt Daraus folgt dass bei sinkendem Druck die Relaxations und Kriechanteile in der Ausgangs spannung des PVDF Drucksensors sinken Deshalb wird f r die Messung von klei nen Dr cken keine Kompensation von Relaxations und Kriechspannungen ben tigt 106 8 4 2 Kompensation von Relaxation und Kriechen mit Hilfe von elektronischen Komponenten Bei den Messungen von gro en Druck nderungen ber Zeiten von mehr als ca 1s ist die Kompensation von Relaxations und Kriechspannungen notwendig Diese Kompensation kann mit Hilfe eines parallel zur PVDF Folie bzw am Eingang des Verstarkers angeschlossenen elektrischen Widerstands realisiert werden Relaxations und Kriechspannungen werden mit der Zeit durch diesen Widerstand abklingen Die resultierende Ausgangsspannung wird dabei zu einem bestimmten Zeitpunkt ihr Maximum erreichen und danach sinken Bei dieser Kompensationsmethode wird die maximale Druckmesszeit durch den Widerstandswert begrenzt Es sind auch anderen Methoden f r die Kompensation von Relaxations und Kriech spannungen mit Hilfe von elektronischen Schaltungen denkbar z B kann ein elektri scher Widerstand ber einen gesteuerten elektronischen Schalter f r eine bestimmte Zeit parallel zur PVDF Folie angeschlossen werden Durch kontrollierten Abfluss von elektrischen Ladungen wird eine bessere Messgenauigkeit und l ngere Messzeit er reicht Andererseits muss dabei bedacht
44. der halb amorphen Struktur von PVDF k nnen die technischen Eigenschaften von PVDF unterschiedlich sein Die technischen Eigenschaften von PVDF und Copolymer Folien sind in Tabelle 11 1 zusammengefasst acou good ensi MSI99 Schu91 Die meisten technischen Eigenschaften sind f r PVDF und Copolymer Folien der Firma Measurement Specialties Inc USA angegeben Tabelle 11 1 Technische Eigenschaften der PVDF und Copolymer Folien Eigenschaft Symbol PVDF Copolymer Mess Bedingung Einheit Betriebstemperatur T Von 40 bis Von 40 bis C 80 100 115 145 Schmelztemperatur Ts 175 180 160 180 C PVDF und Copolymer Folien allgemein K ltespr digkeits Tk 62 C PVDF Folien temperatur allgemein Glas bergangs Tg 42 C PVDF Folien temperatur allgemein Curie Temperatur Te 205 C Nicht gemessen sondern extrapoliert Dicke t 6 9 25 lt 1 bis um 28 40 52 1200 110 515 Dichte PPVDF 1780 1820 kg m Piezoelektrischer d31 23 11 107 C N Modul Piezoelektrischer d32 2 7 11 107 C N Modul Einach sige PVDF Folien allgemein 130 Piezoelektrischer 33 33 38 10 C N Modul Piezospannungs 931 216 162 10 konstante Vm N Piezospannungs 932 15 Einach 162 10 konstante sige PVDF Vm N Folien allgemein Piezospannungs 933 330 542 10 konstante Vm N Elektromechanischer k31 12 20 Kopplungsfaktor
45. des Heizdrahtes verschmolzen und zusammengeschwei t Wenn der Strom geringer als 3 5 A und die Schwei zeit geringer als 2 5 s sind findet das Schwei en nicht vollst ndig statt und der Sensor kann undicht werden Andererseits d rfen Schwei strom und Schwei zeit nicht zu stark erh ht werden um die PVDF Folie nicht zu besch digen Der Heizdraht wird nach dem Schwei en in der N he des Geh uses abgeschnitten Die elektrische Spannung der piezoelektrischen PVDF Folie wird mit Hilfe der Silber bzw Golddr hte abgegriffen Sie haben einen mechanischen Kontakt mit dem Heiz draht und sind mit ihm elektrisch verbunden Die Oxidschicht auf der Oberfl che des Heizdrahtes hat einen sehr gro en elektrischen Widerstand Der Wert dieses Wider stands ist je gr er desto dicker die Oxidschicht ist Die Messungen haben gezeigt dass der Widerstand der Oxidschicht im Drucksensor typischerweise mehr als 10 GQ betr gt Diese Widerstand ist hoch genug und kann deshalb f r die meisten Anwendungen vernachl ssigt werden vgl Kapitel 7 2 6 und 8 4 3 Deshalb kann angenommen werden dass der Heizdraht das Ausgangssignal des Druckw chters nicht beeinflusst Ein durch Thermoschwei en hergestellter Drucksensor PVDF Geh use zusammen mit piezoelektrischer PVDF Folie ist in Abb 6 2 dargestellt Die geschwei ten Drucksensoren wurden auf Dichtheit untersucht Sie wurden in Wasser getaucht und mit bis zu 0 6 0 7 MPa Druckluft belastet Nach einem 2 Minu
46. dynamische Druckbelastungen 24V 12V Akkumulator Druckluft OV 2 Anschlusse f r Drucksensoren RS 232 Mikrocontroller mit Leistungselektronik gt gt Druckluft Pr zisions gt Anschluss Manometer anes EA Ventil gt C gt LFR D MINI A A I e L 1 2 hai I gt NV 40um f Res 3 gt Pr zisions Druckluft gt Filter Druckregelventil Speicher gt Abb 5 9 Schematische Darstellung des Aufbaus des Dauerteststandes f r dynamische Druckbelastungen 40 5 3 Dauerteststand f r statische Druckbelastungen Ein Dauerteststand f r statische Druckbelastungen ist in Abbildung 5 10 dargestellt Abb 5 10 Dauerteststand f r statische Druckbelastungen Der Aufbau dieses Dauerteststandes ist in Form eines Blockschaltdiagramms in Abbildung 5 11 dargestellt Druckluft Anschlusse f r PE Drucksensoren Druckluft en Anschluss anometer N LFR D MINI A x lt 5 Pr zisions Filter Druckregelventil Abb 5 11 Schematische Darstellung des Aufbaus des Dauerteststandes f r statische Druckbelastungen Der dargestellte Dauerteststand f r statische Druckbelastungen funktioniert folgen derma en Die Druckluft wird gefiltert Das Pr zisionsdruckregelventil stellt einen be stimmten Druck im System ein Der Druckwert kann mit Hilfe des Pr zisionsmano meters abgelesen werden Der Dauerteststand hat 6 Druckluftanschl sse f r Druck sensoren 6 Verfahrensentwicklung zur Fertigung der Drucksensoren
47. eine Temperaturkompensation verf gt 7 5 PVDF Folie f r die Temperaturkompensation 7 5 1 Anforderungen an die Messgenauigkeit des Temperatursensors In den Kapiteln 7 4 2 und 7 4 3 wird festgestellt dass eine Temperaturkompensation notwendig ist um die Anforderungen des Lastenheftes erf llen zu k nnen Die Tem peraturkompensation kann entweder mit herk mmlichen kosteng nstigen Tempera tursensoren oder mit einer weiteren PVDF Folie realisiert werden Ein Temperatursensor muss folgende Anforderungen erf llen 1 er muss eine ausreichende Messgenauigkeit haben und 74 2 die Temperaturausgleichszeit des Temperatursensors muss mit derjenigen der druckmessenden PVDF Folie bereinstimmen Die Messgenauigkeit des Temperatursensors Wenn parallel zur PVDF Folie eine sehr gro e Kapazit t viel gr er als die Kapazi t t der PVDF Folie angeschlossen wird haben die piezoelektrischen Module d3 d32 und d33 Einfluss auf die Messergebnisse Wenn keine Kapazit t parallel zur PVDF Folie angeschlossen wird und Az A3 haben die Piezospannungskonstanten 937 932 und 933 Einfluss auf die Messergebnisse siehe Gleichungen 4 5 7 13 und 7 14 Im ersten Fall kann die erforderliche Messgenauigkeit des Temperatursensors aus den Abbildungen 4 4 und 4 5 bestimmt werden In diesen Abbildungen ndern sich die piezoelektrischen Module 37 d32 und das im ung nstigsten Fall um 10 bei einer Temperatur nderung um ca 3 5 C Daraus folgt das
48. electrical switch and means of contact gap setting therefor US Patent Number US4195209 Applicant Emerson Electric Co Publication Date 25 03 1980 Measurement Specialities Inc Piezo Film Sensors Technical Manual Measurement Specialties Inc Sensor Products Division 950 Forge Avenue Norristown PA 19403 April 1999 H Murrenhoff Grundlagen der Fluidtechnik Teil 2 Pneumatik Umdruck zur Vorlesung Institut f r fluidtechnische Antriebe und Steuerungen RWTH Aachen Aachen Germany 1999 Nalwa H S Recent Developments Macromol Sci 1991 C31 4 341 432 Full Featured E Series Multifunction DAQ National Instruments NI Corporation Austin TX 78759 3504 USA 2006 Oliveau John V Pressure switch US Patent Number US3042771 Applicant Aerotec Ind Inc Publication Date 03 07 1962 Peachey C J Peachey G N PP Pressure Responsive Switch Patent Number GB1351941 Applicant Peachey C J Peachey G N PP Publication Date 1 05 1974 Rochling H Schlee K H Sensor f r Akustische Stosswellenimpulse Patent EP0255636 Anmelder Siemens Aktiengesellschaft Berlin und in Ferroelectric Polymers J 126 Rumm99 Scha91 Scho98 Schu04 Schu06 Schu91 Senc03 Senc04a Senc04b Senc04c Senc05 Sens04a Sens04b M nchen Verdffentlichungstag der Anmeldung 10 02 88 Patentblatt 88 06 Z Rummler W Bacher V Saile W K Schomburg Mass Separation using thin PTF
49. fie w r 09 7 56 To 67 Relativer Messfehler oO oO Relativer Messfehler oO oO Zeit des Druckanstiegs To Widerstand R Abb 7 6 Abh ngigkeit des relativen Messfehlers n von der Zeit des Druckanstiegs links und vom Widerstand R rechts Diese Gleichung wird erf llt f r To 0 215 RC 7 57 Dann gelten die folgenden Ungleichungen To 0 215 RC 7 58 R24 65 a 7 59 Die Ungleichung 7 59 gilt wenn der Druck im System nach dem Einschalten des Ventils linear mit der Zeit ansteigt Wenn der Druck im System nichtlinear mit der Zeit ansteigt am Anfang schneller und am Ende langsamer wird ber die Zeit t die ge mittelte elektrische Ladung auf der Oberfl che der PVDF Folie gro er als wenn der Druck linear mit der Zeit ansteigt Deshalb wird bei solchem nichtlinearen Druckan stieg mehr elektrische Ladung ber den Widerstand R abflie en als beim linearen Druckanstieg Das f hrt zu einem gr eren Messfehler Deshalb muss der Wider stand R erh ht werden um die Messfehler im 10 Toleranzrahmen zu halten Es wird erwartet dass die Erh hung des Widerstands R um ca 30 ausreichend ist um die oben beschriebene Messfehlersteigung beim nichtlinearen Druckanstieg zu vermeiden Gleichung 7 59 kann dann wie folgt umge ndert werden R262 7 60 C Aus Ungleichung 7 60 folgt dass f r eine typische Kapazit t C 3 3 nF und eine Druckanstiegszeit t 10 ms der Widerstand R gr er als 18 2 MQ gew h
50. is made of a piezoelectric PVDF film and the housing is made of not piezoelectric PVDF Equations for the calculation of the characteristic curve and the influence of external factors on the output signal of the pressure sensor are derived and presented in this work Anisotropic properties of PVDF films could be included only approximately in these equations That is why the equations have a limited accuracy but they correctly describe the qualitative influence of different external factors on the characteristic curve of the sensor PVDF pressure sensors are distinguished by the ability to measure very fast and also very slow pressure changes Measurements show that they achieve a response time of less than 0 1 ms According to literature the response time can be as small as several nanoseconds The longest time interval in which slow pressure changes can be measured with appropriate accuracy is temperature dependent Slow pressure changes can be measured for several minutes at room temperature In these pressure sensors the applied pressure stretches the piezoelectric PVDF film This stretching produces an electrical charge at the surface of the PVDF film The electric charge and the corresponding electric voltage which are proportional to the applied pressure are measured by an electronic circuit Several PVDF pressure sensors were produced and their properties were measured The following properties of the pressure sensors were measured amon
51. jams 100 Sulphamic acid 100 Sulphates Na K Mg Ca 100 Sulphites 100 Sulphonic acids 100 Sulphur 100 Sulphur chlorides 20 Sulphur dioxide lt 80 7 days Sulphur dioxide dry 20 Sulphur dioxide wet 20 Sulphur trioxide 20 Sulphuric acid 50 lt 150 7 days Sulphuric acid 80 lt 125 7 days Sulphuric acid 93 lt 75 7 days Sulphuric acid 93 lt 100 7 140 Sulphuric acid 98 lt 50 7 days Tallow 100 Tannic acid 10 100 Tartaric acid 100 Tetrahydrofuran 60 9 Thionyl chloride 50 Toluene Technically pure lt 75 7 days Toluene Technically pure lt 100 7 days 9 Trichloroethylene Technically pure lt 50 7 days Trichloroethylene Technically pure lt 75 7 days 2 Urea 30 100 Vinegar 100 Vinyl chloride 50 Water lt 150 7 days Wetting agents lt 5 100 Xylene 100 lt 100 7 days Yeast 100 Zinc carbonate 50 Zinc chloride 50 lt 150 7 days Zinc phosphate 50 Pers nliche Daten Name Vorname Geboren am Ausbildung 09 1983 06 1991 06 1991 09 1991 06 1993 06 1993 12 1993 06 1997 06 1997 09 1997 06 1999 06 1999 01 2000 10 2001 05 2004 02 2007 Berufst tigkeit 1997 2000 06 1998 12 1999 11 2001 04 2004 05 2004 02 2007 141 Lebenslauf Shirinov Aleksandr 03 05 1976 in Gagra Georgien Weiterf hrende Schule N47 in Baku Schulabsch
52. lang unter dem Abzug getrocknet Diese Folie wurde danach in ein PVDF Geh use eingebaut und das Ausgangssignal des Drucksensors wurde gemessen Es wurde festgestellt dass die PVDF Folie mit Silbertintenbeschichtung nach der Behandlung mit Ethylacetat Tetrahydrofuran Chloroform und Schwefels ure nicht mehr funktionierten weil die Silbertintenbeschichtung sich von der PVDF Folie ab l ste Deshalb konnte die PVDF Folie nicht mehr f r eine Druckmessung verwendet werden Die Silbertintenbeschichtung l ste sich in Wasser Ethanol Trichlorethylen und Acetonitril nicht von der PVDF Folie ab Dagegen funktionierten die PVDF Folien mit Gold auf Platin Beschichtung nach der Behandlung in allen oben dargestellten Chemikalien Die PVDF Folien wurden vor und nach der einw chigen Einwirkung der Chemikalien unter einem optischen Mikroskop mit Verst rkungsfaktor 100 untersucht Dabei wurden keine Anderungen an diesen PVDF Folien festgestellt Das Ausgangssignal der PVDF Drucksensoren sinkt nach dem Einfluss von allen oben dargestellten Substanzen Die Gr e der Absenkung des Ausgangssignals ist f r unterschiedliche Chemikalien verschieden In Abb 8 18 ist das Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors vor und nach dem einw chigen Eintauchen in Ethylacetat dargestellt Anfangskurve Spannung V Nach 1 Woche Eintauchen in Ethylacetat 0 100 200 Druck kPa Abb 8 18 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors vor und nach dem Einta
53. ms bei 55 kPa 8 ms bei 95 kPa 64 9 ms bei 180 kPa 10 5 ms Bei h heren Druckdifferenzen ist die nderung der Druckanstiegszeit minimal deshalb kann die Druckanstiegszeit bei hohen Druckdiffe renzen P v gt gt Po2v als ann hrend konstant angenommen werden Die Druck nde rung am Drucksensor relativ zum Atmosph rendruck wenige Millisekunden nach dem Einschalten des Schnellschaltventils V4 ist in Abbildung 7 4 dargestellt Die Druck steigung am Drucksensor mit der Zeit kann als ann hernd linear angenommen wer den 100 5 oO A x 07 O 2 Q 0 T T j 0 10 20 30 Zeit ms Abb 7 4 Druckanstieg am Drucksensor mit der Zeit und die Approximation mit Geraden Py 95 kPa Relativer Messfehler als Funktion des Widerstandes und der Druckanstiegszeit Wenn die elektrische Ladung auf der PVDF Folie nicht ber ihren Widerstand ab flie t kann der Verlauf der elektrischen Ladungen auf der Folie ann hernd mit fol gender Differentialgleichung beschrieben werden siehe Gleichung 7 39 I fiir 0 7T 0 7 41 fiirT T ae fiir 6 Diese Differentialgleichung hat folgende L sung k3T ir T 0 T a M 7 42 Q Q soll max f r T To Hier gilt Q 0 0 In der Realit t flie t elektrische Ladung durch den Widerstand R der Folie ab Dieser Abfluss von elektrischer Ladung kann mit folgender Gleichung beschrieben werden I et Q 7 43 I dr R RC Durch Addition der Gleichun
54. ngig sind und ihre Druckabh ngigkeit sich mit der Temperatur ndert 85 Die Linearit t eines PVDF Drucksensors kann durch seine Vorbehandlung verbes sert werden Es verringerte sich z B der Linearit tsfehler auf ca 1 5 als ein PVDF Drucksensor unter einer Druckbelastung getempert wurde Dieser Effekt wird in dem Kapitel ber die Alterung von Drucksensoren unter statischer Druckbelastung n her beschrieben vgl Kapitel 8 5 2 Die Kennlinie eines PVDF Drucksensors kann auch durch die Erw rmung w hrend der Herstellung beim Verschwei en von Membran und Geh use linearisiert werden Durch den Druck und Temperatureinfluss ndern sich die Form der Sensorfolie und die Druckabh ngigkeit der piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften was zur Linearisierung der Kennlinie f hrt In Abb 8 5 ist die Kennlinie eines geschwei ten Drucksensors mit einer 28 um dicken mit Silbertinte beschichteten PVDF Folie mit 4 mm Durchmesser dargestellt Der Linearit tsfehler dieser Kennlinie betr gt ca 1 Dagegen zeigen vergleich bare Sensoren deren Membran mit Schrauben zwischen den Geh useh lften fest geklemmt wurde eine Kennlinie wie sie in Abb 8 4 f r 20 C dargestellt ist Ist Kurve Zz 1 4 D Ausgleichsgerade Q 0 0 0 100 200 Druck kPa Abb 8 5 Kennlinie eines geschwei ten PVDF Drucksensors zusammen mit seiner Ausgleichsgeraden gemessen bei 22 TC Die Linearit t eines PVDF Drucksenso
55. r die Messung von Druck nderungen ergab Abb 7 8 Eine weitere wichtige Funktion der elektronischen Schaltung ist die Einstellung der Zeitintervalle in denen das Signal der piezoelektrischen PVDF Folie gemessen wird und das Kurzschlie en der PVDF Folie in allen anderen Zeitintervallen Dazu ist zwischen dem Verst rker und der PVDF Folie ein Schalter angebracht der durch das Signal eines Steuersignalgenerators bet tigt wird So kann das Sensorsignal abh ngig von der elektronischen Schaltung entweder a immer w hrend des Betriebs des Ventils gemessen werden b nur kurz nach dem Einschalten und nach dem 77 Ausschalten des Ventils gemessen werden oder c sowohl kurz nach dem Ein und Ausschalten des Ventils als auch zwischen den Schaltvorg ngen mit dazwischen liegenden Kurzschlie ungen der PVDF Folie die das Sensorsignal vor jeder Mes sung auf Null setzen Das erh ht die Messgenauigkeit und Fehlertoleranz der Mes sungen In Abbildung 7 9 ist oben das Steuersignal des Ventils dargestellt und darunter sind beispielhaft zwei m gliche Verl ufe des Steuersignals f r den Schalter gezeigt 0 4 25 kPa BE tre Komp 0 3 25 kPa__ 20 kPa 0 2 f 20 kPa ge ua ee Mit Komp Signal V 0 20 30 40 50 60 70 Temperatur C Abb 7 8 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors mit und ohne Temperaturkompensation Wenn das Steuersignal f r den Schalter hoch ist findet die Messung statt wenn es niedrig ist
56. siehe Kapitel 4 1 2 K rper bei Raumtemperatur emittieren Infrarot Strahlen berwiegend im Bereich von 8 12 um Um die Empfindlichkeit von PVDF Drucksensoren auf Infrarot Strahlung zu testen wurden unterschiedlich hei e Objekte neben dem Drucksensor bewegt wie z B eine Heizluftpistole mit ca 300 C und ein L tger t mit 450 C Der Experimentator bewegte auch seine Hand neben dem Drucksensor Da bei wurde keine Anderung in der Ausgangsspannung des Drucksensors festgestellt die durch die Bewegung der warmen Objekte neben dem Drucksensor verursacht worden w re Einfluss einer sprungartigen Temperatur nderung Um den Einfluss einer sprungartigen Temperatur nderung auf das Messsignal zu testen wurde ein Drucksensor mit einer mit Silbertinte beschichteten PVDF Folie mit der Heizluftpistole erhitzt Die Heizluftpistole wurde aus ca 20 cm Entfernung auf den PVDF Drucksensor gerichtet Die Heizluftpistole erzeugte einen 300 C hei en Luft strom der auf den Drucksensor str mte Der Sensor wurde zwei Minuten lang erhitzt und seine Ausgangsspannung wurde in dieser Zeit gemessen Die mit einem Tempe ratursensor neben dem PVDF Drucksensor gemessene Temperatur betrug w hrend der Messzeit mehr als 150 C Die Messungen zeigten dass die Ausgangsspannung des Drucksensors zun chst mit der Temperatur steigt und danach sinkt Die Absen kung der Ausgangsspannung ist gr er als ihre Steigung am Anfang der Erw rmung In Abb 8 10 ist die A
57. u a Polyharnstoffe Polyureas Liquid crystalline Polymere und Biopolymere amorphe Polymere wie Polyvinylidenchlorid PVC PVAc P VDCN VAc Polyacrylnitril PAN PPEN Nitril substituiertes Polyimid CN APB ODPA aliphatisches Polyurethan usw PVDF und seine Copolymere sind die einzigen kommerziell erh ltlichen piezoelektri schen Kunststoffe PVDF hat sehr starke piezoelektrische Eigenschaften und sehr gute chemische und mechanische Eigenschaften Deshalb erscheinen PVDF und seine Copolymere besser als die anderen piezoelektrischen und piezoresistiven Kunststoffe f r den Einsatz als Sensorelemente in einem Druckw chter geeignet PVDF hat folgende besonderen Eigenschaften Resistenz gegen ber vielen gebr uchlichen Chemikalien wie S uren H3SO4 HCl usw Laugen NaOH KOH usw L sungsmitteln Acetonitril Chloroform usw Das chemische Verhalten von PVDF gegen ber vielen Chemikalien ist im Anhang 1 dargestellt starker piezoelektrischer Effekt dzs 33 10 C N da 23 10 C N elektrische Isolatorwirkung volumetrischer spezifischer Widerstand pes gt 10 Om gute Witterungs und UV Bestandigkeit keine nderung von mechanischen und optischen Eigenschaften nach mehr als 35 Jahren Freilandbewitterung Celi05a Celi05b Darg05b Gu02 lezz97 Wall61 Diese Eigenschaften machen PVDF zu einer guten Wahl f r den Einsatz in Druck w chtern Nicht nur die Sensormembran sondern auch das Geh use und evt
58. verringert Deswegen ist die reale Massenstrom und Volumenstrom f r die PVDF Folie noch kleiner als oben berechnet Handel bliche industrielle Ventile haben im Durchschnitt eine minimale Leckagerate von weniger als 0 01 des Durchflussstroms im komplett offenen Zustand Die meisten industriellen Ventile haben einen Durchflussstrom im offenen Zustand von ca 0 01 m h bis ca 1000 m h Das bedeutet dass die minimale Leckage industri eller Ventile ca 1 ml h betr gt Somit ist die Leckage durch den hier betrachteten Druckw chter aus einer PVDF Folie viel kleiner als die Leckage handels blicher Ventile und kann deswegen vernachl ssigt werden 4 5 Kriechen und Alterung von PVDF Folien 4 5 1 Kriechen von PVDF Folien Die Alterung das langfristige Verhalten der piezoelektrischen PVDF Folien unter einem konstanten oder zyklischen Druck die Anderung des piezoelektrischen Moduls sowie die mechanischen Eigenschaften der piezoelektrischen PVDF Folien nach einigen Monaten und Jahren im Betriebeinsatzes sind noch nicht untersucht worden 25 Die Alterung von PVDF Folien unter statischem und dynamischem Druck setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen 1 Ver nderung von piezoelektrischen Konstanten N Kriechen und Ausdehnung von PVDF Folien oo Verringerung der Dicke von PVDF Folien a A Verringerung der Streckfestigkeit O Ver nderung der Dielektrizit tskonstante N Verringerung des Elastizit tsm
59. werden dass die Elektronik nicht zu teuer werden darf Vom Lastenheft wird ein preiswerter Drucksensor gefordert dieses Ziel w rde verfehlt wenn die notwendige Elektronik zu teuer wird 8 4 3 Einfluss des Folien Widerstands auf das Ausgangssignal Die elektrischen Ladungen die auf der Oberfl che der PVDF Folie generiert werden k nnen ber den internen elektrischen Widerstand der PVDF Folie abflie en Im Temperaturbereich von 40 C bis 20 C ist der elektrische Widerstand der PVDF Folie gro und sein Einfluss auf die Ausgangsspannung kann im Vergleich zu ande ren Faktoren vernachl ssigt werden Bei Temperaturen ber 30 C ist der elektrische Widerstand der PVDF Folie klein siehe unten und das Abflie en der elektrischen Ladungen durch diesen Widerstand kann nicht mehr vernachl ssigt werden In Abb 8 24 sind die Ausgangsspannungen eines PVDF Drucksensors nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa bei Temperaturen von 30 C bis 90 C dargestellt In Abb 8 24 spielt der elektrische Widerstand der PVDF Folie bei gr eren Tempe raturen eine wichtige Rolle Der Einfluss von Relaxation und Kriechen auf das Aus gangssignal des Drucksensors kann dagegen vernachl ssigt werden Aus Abb 8 24 folgt dass der elektrische Widerstand der PVDF Folie mit steigender Temperatur sinkt Der geringe elektrische Widerstand von PVDF Folie bei hohen Temperaturen f hrt zum schnellen Abflie en der elektrischen Ladungen welc
60. 0 C quasistatische Druck nderungen einige Minuten lang messen 10 bei hohen Temperaturen k nnen PVDF Drucksensoren langsame Druck nde rungen nicht messen z B bei 90 C darf die Messzeit nicht mehr als 0 65 s betragen 11 bei der Messung von quasistatischen Druck nderungen muss der Effekt von Kriechen und Relaxation von PVDF Folien ber cksichtigt und nach Bedarf kompensiert werden 12 die Sensoren k nnen mit kleinen Abmessungen und Gewicht gebaut werden Der Durchmesser des kleinsten gebauten PVDF Drucksensors betrug 4 mm seine H he 5 mm und seine Masse ca 50 mg 9 Zusammenfassung und Ausblick Ziel Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Drucksensoren f r die ber wachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen Diese Sensoren sollten eine besonders gute Zuverl ssigkeit Langlebigkeit einen breiten Arbeitstemperatur bereich haben und chemisch innert sein Eine weitere Anforderung an die Druck sensoren war ein niedriger Preis und eine einfache Herstellung Die Drucksensoren sollten einen niedrigen Preis haben weil sie viel preisg nstiger sein m ssen als die Ventile die sie kontrollieren sollen Durch einfache Herstellungsverfahren sollen diese Drucksensoren auch in kleinen Serien kosteng nstig hergestellt werden k nnen weil nur geringe Investitionen in die Produktionsanlagen erforderlich sind Vorgehensweise Die Analyse verschiedener Konzepte f hrte darauf den Drucksensor aus Polymere
61. 1 AT r 0 In dieser Zeit ndert sich die Membrantemperatur um A Tm T z To Damit ergibt sich AT 7 T T t T T T t T AT t 0 AT 7 61 Die Absch tzung findet nach Knee04 Mart95 Merk99 unter der Vorraussetzung einer hohen W rme bertragung in der Membran im Vergleich zum konvektiven W r me bergang an die Membran statt Die zeitliche Dynamik des Temperaturausgleichs wird in diesem Fall durch den W rmetransport zur Membran dominiert Charakteristi sche Kennzahl daf r ist die Biot Zahl die beide Transportmechanismen ins Verh lt nis zueinander setzt a 6 W mfK A 0 1 W mK Le 28 um Bi LE 1 68 10 lt lt 1 7 62 Diese Vorraussetzung ist aufgrund der d nnen Membran selbst f r Luftstr mungen mit hohen W rme bergangskoeffizienten von aw 100 W mfK erf llt Charakteristische Kennzahl f r die instation re Temperaturentwicklung ist die Fourier Zahl Fo 2 7 63 69 Le bezeichnet hier die charakteristische L nge der PVDF Folie Wenn die PVDF Folie nur von einer Seite erw rmt wird gilt ee 7 64 Wenn die PVDF Folie von beiden Seite erwarmt wird gilt L t 7 65 Die Temperaturleitzahl oder die Temperaturleitf higkeit ar kann man mit folgender Gleichung berechnen Tr SER DEN 7 66 Ppvor Cw Der Temperaturausgleich erfolgt dann nach Gleichung 7 67 AT 7 g Bi Fo 7 67 AT t 0 Die Fourier Zahl ergibt sich nach Gleichung 7 67 unter o a Vorrausetzungen zu
62. 2 1 php Stand 21 November 2006 Website http www ensinger td uk docs datasheets TECAFLON 20PV DF pdf Stand 21 November 2006 Website http www goodfellow com Stand 21 November 2006 Tecaflon PVDF Plastics International 7600 Anagram Drive Eden Prairie MN 55344 USA http www plasticsintl com datasheets 1206426487PVDF pdf Stand 21 November 2006 Website http www zeusinc com chem pvdf asp Stand 21 November 2006 Properties of AIRMAR Piezof LEX Piezoelectric Polymer AIRMAR Technology Corporation 35 Meadowbrook Drive Milford New Hampshire 03055 4613 USA July 1999 K I Arshak D McDonagh and M A Durcan Development of new Capacitive strain sensors based on thick film polymer and cermet technologies Sensors and Actuators A vol 79 2000 pp 102 114 A Arshak K I Arshak D Morris Korostynska and E Jafer Development Of PVDF Thick Film Interdigitated Capacitors For Pressure Measurement On Flexible Melinex Substrates presented at MRS Spring Meeting San Francisco 2005 K Arshak D Morris A Arshak O Korostynska and K Kaneswaran Investigation into the pressure sensing properties of PVDF and PVB thick film capacitors 29 International Spring Seminar on Electronics Technology ISSE 2006 10 14 May 2006 St Marienthal Germany p 140 K Arshak D Morris A Arshak O Korostynska E Jafer D Waldron J Harris Development of polymer based sensors for integration into a wireless
63. 28 um der absolute Messfehler wie folgt gegeben ist Gleichung 7 21 AP 523 Pa F r einen kreisf rmigen Sensor aus PVDF Folie mit einem Durchmesser von 1 mm ist die Sensorempfindlichkeit ungefahr gleich 0 134 Pa Da die minimale Schaltschwelle 10kPa betragen soll und die erforderliche Genauigkeit der Schaltschwelle 10 siehe Lastenheft folgt APmin 1 kPa Daraus folgt dass unter ung nstigsten Bedingungen die Sensorfl che nicht kleiner sein darf als siehe Gleichung 7 22 24 m 91 10 m FE F 0 m ar CF d d 2 V d3 i Daraus folgt dass der minimale Durchmesser des Druckw chters ca 100 um ist Schon aus fertigungstechnischen Gr nden wird dieses Ma nicht unterschritten wer den Der Berstdruck f r eine Folie mit 100 um Durchmesser t 28 um Dicke E 2 GPa v 0 18 o 50 MPa o 0 kann mit Gleichung 7 15 berechnet werden 2 A IV 221 MPa max 24 oy 0 L Dieser Wert des Berstdruckes ist gro genug Deshalb braucht ein Druckw chter mit einer Folie mit 100 um Durchmesser keine zus tzliche Uberdruckssicherung in Form von St tzfolien oder einem Geh use mit Stutzl chern Berechnung f r den Sensor in Abbildung 7 2 Die Gleichung 7 13 kann f r Druckw chter in Abbildung 7 2 folgenderma en verein facht werden A 0 Q A d AP 7 23 Aus Gleichung 7 23 ergibt sich AP nin Qnin 7 24 A da Das typische Rauschen von ca 0 01 pC welches kosteng nstige L
64. 4 Es wurden zwei Typen von Sensoren getestet 1 Sensoren mit 28 um dicker einachsig gestreckter piezoelektrischer PVDF Folie mit beidseitiger 6 um dicker Silbertinte Beschichtung und 2 Sensoren mit 25 um dicker zweiachsig gestreckter piezoelektrischer PVDF Folie mit beidseitiger 70 nm dicker Gold auf Platin Beschichtung Der Durchmesser der Sensorfl che betr gt f r beide Sensortypen 4 mm Die Geh u se von allen Sensoren waren aus PVDF hergestellt Die Querempfindlichkeit der PVDF Drucksensoren gegen ber der Temperatur wurde im Temperaturbereich von 40 C bis 80 C gemessen Arbeitstemperaturbereich Im Kapitel 4 2 1 wurde festgehalten dass PVDF Folien laut Literatur im Temperatur bereich von 40 C bis 160 C piezoelektrische Eigenschaften besitzen und als Sen sorelemente in Drucksensoren verwendet werden k nnen Im Rahmen dieser Arbeit wurden PVDF Drucksensoren im Temperaturbereich von 40 C bis 120 C getestet Dabei zeigte sich dass PVDF Drucksensoren in diesem Temperaturbereich zuver l ssig funktionieren Bei Temperaturen ber 80 C kriecht die PVDF Folie besonders schnell was die Lebensdauer des PVDF Drucksensors reduziert Um das Kriechen zu verlangsamen kann der Arbeitsdruck gesenkt werden Um bei hohen Temperatu ren ein stabiles Ausgangssignal zu erreichen sollte ein PVDF Drucksensor w hrend seiner Herstellung bei maximaler Arbeitstemperatur und unter Druck getempert wer den 95 Dar be
65. 7 2004 V Sencadas S Lanceros Mendez J F Mano Effect of the mechanical stretching on the ferroelectric properties of a VDF TrFE 75 25 copolymer film Solid State Communications 129 pp 5 8 2004 V Sencadas S Lanceros Mendez J F Mano Behaviour of the Ferroelectric Phase Transition of P VDF TrFE 75 25 with Increasing Deformation Ferroelectrics 304 pp 23 26 2004 V Sencadas Carlos M Costa V Moreira Jorge Monteiro Sushil K Mendiratta J F Mano S Lanceros M ndez Poling of B poly vinylidene fluoride dielectric and IR spectroscopy studies E Polymers No 002 pp 1 12 January 2005 Sensortechnics GmbH 19C K L Series Temperature compensated and calibrated stainless steel pressure sensor Technical Manual Sensortechnics GmbH 82178 Puchheim Germany September 2004 Sensortechnics GmbH PXMD Series High precision digital output pressure sensors Technical Manual Sensortechnics GmbH 82178 Sram04 Stan78 Sulo02 Swan01 Sy00 Tasa81 Tash81 Tran92 VDC01 Vino01 Vino02a Vino02b Vino03 Voet05 127 Puchheim Germany May 2004 Srama R T J Ahrens N Altobelli S Auer J G Bradley M Burton V V Dikarev T Economou H Fechtig M G rlich M Grande A Graps E Gr n O Havnes S Helfer M Horanyi E Igenbergs E K Jessberger T V Johnson S Kempf A V Krivov H Kr ger A Mocker Ahlreep G Moragas Klostermeyer P Lam
66. 7 14 AP R E A 3 Di dx d 2 Vd A dx AP _ P zer 31 439 55 2 433 Eee A Aus den Gleichungen 7 14 7 73 und 7 76 ergibt sich A Az d3 23 10 C N d32 5 10 C N d33 33 10 C N E 2 10 Pa v 0 18 p3 30 10 C m k 2 2 10 100 p AT A 0 AP Ra E al er dz d33 2Vd33 Ay d33 AP 7 77 Der relative Messfehler soll laut Lastenheft weniger als 10 betragen dann gilt 72 Nm Arn lt 10 7 78 AP R E A 3 gt dy dz 2 v d33 Ay dy AP 24t 1 v Aus der Ungleichung 7 78 folgt AP Re E A Ser da d3 2Vd33 A dz AP AT S ooo 7 79 10 p A Aus Ungleichung 7 79 folgt dass z B bei einer Schaltschwelle von 100 kPa in dem Zeitintervall in welchem die Druckmessung stattfindet die Temperatur nderung AT nicht mehr als 0 87 C betragen darf f r PVDF Folie mit 28 um Dicke und 4 mm Durchmesser der Sensorfl che Wenn die Druckmesszeit 100 ms betr gt kann die maximale erlaubte Temperaturdifferenz zwischen der PVDF Folie und der Druckluft mit Gleichung 7 72 berechnet werden AT 0 87 AT t 0 a ET 87 C 7 80 e PPVDF Owe je 1780 1200 28 107 Das hei t wenn die Druckschwelle eines Druckw chters 100 kPa und die Messzeit 100 ms betragen darf der Temperaturunterschied zwischen der Luft im Druckw ch ter und der PVDF Folie nicht mehr als 87 C betragen Diese Anforderung ist f r die meisten Anwendungen des
67. 8 12 Ausgangssignal des PVDF Drucksensors und des Referenzdrucksensors aus Abb 8 11 nach Anlegen der 110 kPa Druckbelastung Gleiche Messungen mit einem 33 cm langen Druckluftschlauch haben best tigt dass die Resonanzfrequenz der Lufts ule mit steigender Schlauchl nge sinkt Aus Abbildung 8 12 folgt dass der PVDF Drucksensor eine k rzere Ansprechzeit als der Referenzdrucksensor hat Die Ansprechzeit eines PVDF Drucksensors konnte mit den f r diese Arbeit zur Verf gung stehenden Mitteln nicht genauer bestimmt werden In der Literatur wird beschrieben dass PVDF Folien Vibrationen mit bis 2 GHz Frequenz messen k nnen MSI99 Das bedeutet dass die Ansprechzeit von PVDF Drucksensoren wenige Nanosekunden betragen kann 8 2 10 Resonanzfrequenz von PVDF Drucksensoren Wenn ein Drucksensor periodische Schwingungen messen soll darf die Frequenz dieser Schwingungen nicht in der N he der Resonanzfrequenz des Drucksensors liegen weil sonst der Messfehler zu gro wird Die gemessene Resonanzfrequenz von Schwingungen senkrecht zur Oberfl che der PVDF Folie des oben beschriebenen Sensors h ngt vom Druckabfall ber der Folie dem Druckmedium und der Temperatur ab und betr gt f r Luft ca 20 40 kHz 94 Die Resonanzfrequenz von Dickenschwingungen der PVDF Folie kann mit Gleichung 8 17 berechnet werden t 28 um Cpvor 2200 m s _ Cpvor _ 2200 are MHz 8 17 t 28 10 Beide Resonanzfrequenzen liegen h her als die m
68. 994 1449 Proportional Druckregelventile MPPE MPPES Festo AG amp Co KG 73734 Esslingen Deutschland Produktkatalog 2004 2005 Oktober 2003 Magnetventile MH2 MH3 MH4 Festo AG amp Co KG 73734 Esslingen Deutschland M rz 2006 PS98 Solid State Pressure Switch Gems Sensors Inc Plainville CT 06062 1198 USA 2004 de Groot Thomas J Pressure Sensitive Switch its Method of Calibration and Use in a Hydrophone Array International Patent Number WO 01 65278 A1 Applicant Benthos Inc US Publication Date 7 09 2001 X Gu L Sung D L Ho C A Michaels D Nguyen Y C Jean and T Nguyen Surface and Interface Properties of PVDF Acrylic Copolymer Blends Before and After UV Exposure Proceedings of the 80th Annual Meeting Technical Program of the FSCT Federation of Societies for Coatings Technology Ernest N Morial Convention Center New Orleans LA USA Oct 30 Nov 1 2002 Royth Philipp von Hahn Zur Kalibrierung eines piezooptischen Faserhydrophons f r diagnostische Ultraschallfelder Vom Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Universit t Duisburg Essen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurs genehmigte Dissertation 2005 J S Harrison Z Ounaies Piezoelectric Polymers NASA CR 2001 211422 ICASE Report No 2001 43 ICASE NASA Langley Research Center Hampton Virginia Dezember 2001 Heraeus Bonding Wires for Semiconductor Technology Brochure W C Heraeus GmbH 63450 Hanau
69. Ansteuerungsabl ufe ber die Bedienerkonsole des Klimaschranks zu programmieren oder eine bestimmte Tempe ratur und Feuchtigkeit ber die Bedienerkonsole des Klimaschranks einzustellen Die Steuersoftware des Pr fstandes ist in der Programmiersprache Labview 8 0 ge schrieben In Abbildung 5 4 ist das vereinfachte Blockschaltdiagram der Pr fstands steuersoftware dargestellt Pr fstand initialisieren Definieren des Zeitplans f r die Experimente Ansteuerung des Klimaschranks Warten bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt Sensorenkalibrierung Definierung von Experimenten Durchf hrung von Experimenten Messdaten Evaluierung der Speicherung von Messdaten Messergebnissen Darstellung der Messergebnisse auf dem Bildschirm Pr fstand und Klimaschrank herunterfahren Abb 5 4 Vereinfachte schematische Darstellung des Aufbaus der Pr fstandssteuersoftware 34 Die Pr fstandssoftware funktioniert in folgender Weise zun chst wird der Pr fstand initialisiert Dabei werden alle Ventile in ihre Anfangsstellung gebracht alle Variablen und Programmkomponenten werden initialisiert Danach wird ein Zeitplan f r die Durchf hrung von Experimenten definiert Im Zeit plan wird festgelegt wann welches Experiment bei welcher Temperatur und Feuch tigkeit durchgef hrt werden soll und wie oft es wiederholt werden soll Danach wird der Klimaschrank angesteuert und eine bestimmte Temperatur und Feuchtigkeit wer den in d
70. Ausgangssignal weniger stark von der Temperatur abh ngt vgl Kapitel 8 2 11 da gt pC N 20 0 20 40 60 Temperature C Abb 4 4 Temperaturabhangigkeit der piezoelektrischen Module von PVDF Dest84 Vino02a mN Wid PON I 20 0 20 50 0 Temperature C Abb 4 5 Temperaturabh ngigkeit der piezoelektrischen Module ds und g3 der PVDF Folien der Firma Measurement Specialities Inc MS199 In Schu91 wurde die Abhangigkeit des piezoelektrischen Moduls von PVDF Folien von der mechanischen Spannung und der Temperatur untersucht Abbildung 4 6 zeigt die Abhangigkeit des piezoelektrischen Moduls d3 von der Vorspannung bei 19 einer Temperatur von 370 K Nach Nachlassen der Vorspannung erreicht d3 wieder seinen Ausgangswert Im Allgemeinen sind die piezoelektrischen Module d3 und d32 komplexe Funktionen der Temperatur und der mechanischen Belastung Schu91 Daraus folgt dass die Kennlinien von PVDF Druckw chtern im Allgemeinen nicht linear sind und bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Formen haben k nnen Deshalb sind spezielle konstruktive und HerstellungsmaBnahmen erforder lich um in einem gro en Temperaturbereich lineare Kennlinien f r Druckw chter zu erhalten 0 50 100 150MPa 200 O m Abb 4 6 Abh ngigkeit von d3 von der mechanischen Vorspannung bei einer Temperatur von 370 K nach Schu91 Wenn das Drucksensorgeh use und die piezoel
71. Druckw chters erf llt Deshalb braucht so ein Druck w chter keine Kompensation von dynamischen Temperatur nderungen welche durch den pyroelektrischen Effekt eine Ausgangsspannung verursachen Wenn ein Druckw chter eine Messzeit von viel mehr als 100 ms oder eine Schalt schwelle hat die viel kleiner ist als 100 kPa so wird der Temperaturunterschied zwi schen PVDF Folie und Luft einen gro en Einfluss auf die Messgenauigkeit haben In diesem Fall sollte ein PVDF Druckw chter mit einem Temperatursensor f r die Kom pensation des pyroelektrischen Verhaltens der PVDF Folie ausgestattet werden Druckw chter aus Abbildung 7 2 Die Ausgangsspannung eines in Abbildung 7 2 dargestellten PVDF Druckw chters kann mit folgender Gleichung berechnet werden Gl 7 14 f r A 0 Er Ey As U 7 81 Co Aus den Gleichungen 7 73 7 76 und 7 81 ergibt sich d33 33 10 C N p3 30 10 C m K Xp X 100 a 0 33 100 7 82 Der relative Messfehler soll laut Lastenheft weniger als 10 betragen damit gilt f r den Druckwachter 73 tp BAT 100 lt 10 7 83 33 Aus der Ungleichung 7 83 folgt d AP 10 P3 AT lt 7 84 Aus der Ungleichung 7 84 folgt dass z B bei einer Schaltschwelle von 100 kPa in dem Zeitintervall in welchen die Druckmessung statt findet die Temperatur nderung AT nicht mehr als 1 1 10 C betragen darf Wenn die Druckmesszeit 100 ms betr gt kann die maximale erlaubte Tem
72. E Membranes Proceedings of Symposium on Design Test and Microfabrication of MEMs MOEMs DTM 99 30 Mar 1 Apr 1999 in Paris France Sch fer Dagobert Zanger Ulf Piezoelectric membrane hydrophone Applicant Richard Wolf GMBH Patent Number DE3931578 Document EP0418663 Publication Date 04 04 1991 W K Schomburg C Goll Design optimization of bistable microdiaphragm valves Sensors and Actuators A 64 1998 pp 259 264 U Schuster Untersuchung des Alterungsprozesses von hydraulischen Ventilen Herausgeber Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften HVBG Berufsgenossenschaftliches Institut f r Arbeitsschutz BIA BIA Report 6 2004 August 2004 U Schuster Reliability of hydraulic valves determining of the MTTFa value of hydraulic directional control valves 5 IFK Conference Aachen Germany pp 71 81 20 22 March 2006 Bernhard Hermann Schumacher Nichtlineare und relaxierende Ph nomene in einachsig gerecktem PVDF zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurs genehmigte Dissertation RWTH Aachen 1991 V Sencadas R Barbosa J F Mano S Lanceros Mendez Mechanical characterization and influence of the high temperature shrinkage of B PVDF films on its electromechanical properties Ferroelectrics 294 61 71 2003 V Sencadas S Lanceros M ndez J F Mano Characterization of poled and non poled B PVDF films using thermal analysis techniques Thermochimica Acta 424 201 20
73. Elastische Nachgiebigkeit Realteil der elastischen Nachgiebigkeit in 1 Richtung Realteil der elastischen Nachgiebigkeit in 2 Richtung Temperatur Temperatur nach dem Temperaturausgleich zwischen der Membran und der Umgebungsluft Anfangstemperatur der Membran Temperatur an der Hochdruckseite hinter dem Ventil Temperatur an der Niederdruckseite hinter dem Ventil Lufttemperatur im physikalischen Normzustand Tn 273 15 Pa Pa C m K OO 003330 03 a z 3 kg K lt lt lt eb Pa AP APmax APmin AP AP ret AQ ASpvor ASpvoF ist ASpvoF soll AT AT 7 AT r 0 ATm AT min At Lufttemperatur im technischen Normzustand Trn 293 15 Umgebungstemperatur Dicke der PVDF Folie Dicke der PVDF Folie bei 0 C Verlustfaktor des Elastizitatsmoduls der PVDF Folie Dielektrischer Verlustfaktor der PVDF Folie Elektrische Spannung Elektrische Spannung am Anfang der Druckbelastung Zeitpunkt z 0 Elektrische Spannung zwischen den Elektroden der PVDF Folie Ausgangsspannung Eingangsspannung Durch den pyroelektrischen Effekt verursachte elektrische Spannung zwischen den Elektroden der PVDF Folie Volumen im Schlauch nach dem Ventil Auslenkung der PVDF Folie unter Druck W rmeausdehnungskoeffizient der PVDF Folie Permeabilitatskoeffizient der PVDF Folie f r Massenstrom Permeabilitatskoeffizient der PVDF Folie f r Volumenstrom W rme bergangskoeffizient Relativer Messfehler Durch das ele
74. Frequenz dieser Wechselspannung ndert sich mit der Zeit Die antreibende Folie vibriert und die Vibrationen bertragen sich ber die isolierende Folie zur sensitiven Folie Die Ausgangsspannung an der sensitiven Folie wird mit einer elektronischen Schaltung aufgenommen Die Amplitude dieser Ausgangsspannung wird gemessen und analysiert Wenn die Sensorfolie einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird ndern sich die mechanische und akustische Kopplung zwischen der antreibenden und sensitiven Folie Deshalb ndert sich die Amplitude der Ausgangsspannung an der sensitiven Folie Die Frequenz an der sensitiven Folie ist gleich der Frequenz der Wechselspannung die an der antreibenden Folie angelegt ist Durch Messung der Amplitude der Ausgangsspannung der sensitiven Folie kann man die Gr e der angelegten Kraft bestimmen Wenn diese Kraft und der entsprechende Druck sich ndern dann ndert sich die Amplitude der Ausgangsspannung und die Resonanzfrequenz des taktilen Sensors Durch Ansprechen der verschiedenen Elektroden der antreibenden Folie k nnen unterschiedliche Bereiche mit der Wech selspannung angeregt und in diesen Bereichen Kraft und Druck gemessen werden Au erdem biegt sich die sensitive Folie wenn der Sensor mit einer dynamischen Kraft belastet wird und erzeugt wegen ihrer piezoelektrischen Eigenschaften f r kurze Zeit eine Spannung 3 3 4 Sensor nach dem Prinzip des piezoelektrischen Transformators Schumacher hat 1991 ein
75. Geh uses f r PVDF Druckw chter PVDF ist ein Kunststoff der schwer zu verkleben ist Deshalb wurden sechs verschiedene Klebstoffe auf ihre Eignung zur Verklebung von PVDF untersucht 1 Pattex hot Heissklebe Patronen von Henkel KGaA Sekundenkleber 43 Cyanacrylat von Loxeal Engineering Adhesives UHU Glas Kleber UV h rtend von UHU GmbH amp Co KG UHU Plast Kleber UHU Plus Sofortfest 2 Komponenten Epoxidharzkleber 6 Tangit PVC U Spezial Klebstoff von Henkel KGaA Vor dem Kleben wurden die PVDF Teile gereinigt und entfettet Es wurde festgestellt dass die Klebeverbindung bei den beiden letzten Klebstoffen besser war als bei den anderen Ein PVDF Drucksensor wurde mit Tangit PVC U Spezial Klebstoff verklebt Dieser Drucksensor hat 5 mm Durchmesser und 5 4 mm H he Abbildung 6 3 Der Durch messer des Lochs f r die PVDF Folie betr gt 3 mm Dieser Drucksensor wird mit einem Schlauch mit 2 mm Innendurchmesser verbunden Der geklebte Drucksensor h lt 700 kPa Druck stand Der Drucksensor wurde bei h heren Dr cken nicht unter sucht weil 700 kPa f r viele Anwendungen ausreichend ist 7 Layout und Design von Drucksensoren 7 1 Aufbau eines Druckw chters aus PVDF Folien An der Oberfl che einer PVDF Folie sammeln sich elektrische Ladungen an wenn sie mit einer mechanischen Spannung belastet wird Es ist m glich die elektrischen Ladungen auf der Oberfl che von PVDF Folien zu messen und dadurch den Druck zu bestimmen Es
76. PVDF Folie herstellt Durch ein hermetisch geschlossenes Geh use kann der zweite Grund f r die Widerstandsabsenkung ausgeschlossen werden 100 20 Feuchte 48 Feuchte 75 Feuchte Spannung V 0 amp T j 0 50 100 Druck kPa Abb 8 17 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors bei 65 C und drei Feuchtigkeiten 20 48 und 75 relative Feuchte 8 3 Chemische Best ndigkeit 8 3 1 Verwendung von fl ssigen leitf higen Druckmedien Eine der Einschr nkungen bei der Verwendung von fl ssigen leitf higen Druck medien ist dass das Druckmedium einen elektrischen Kontakt zwischen den Elek troden der PVDF Folie herstellt den elektrischen Widerstand zwischen den Elektro den verringert und dadurch das Ausgangssignal verf lscht Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Drucksensoren mit Leitungswasser als Druckmedium getestet Da Leitungswasser elektrisch leitend ist wurden Drucksen soren hergestellt deren Membran auf das Geh use aufgeschwei t worden war Durch das Verschwei en werden die Elektroden der PVDF Folie im Sensorgeh use so gut isoliert dass keine Feuchtigkeit von au en oder Druckmedium von innen in das Geh use eindringen und den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden der PVDF Folie verringern kann Die Drucksensoren wurden zun chst mit Luft und danach mit Wasser als Druck medium getestet Es wurde kein Unterschied in den Kennlinien festgestellt solang die Drucksensoren dicht waren Weil die
77. adungsverst rker erzeugen f hrt f r Sensoren mit kreisf rmigen PVDF Folien mit einem Durchmesser von 4 mm zu folgendem Messfehler Gleichung 7 25 AP in gt 24 Pa Somit betr gt die minimale Sensorfolienfl che Ann a _ 7 25 AP nin ds Da die minimale Schaltschwelle 10 kPa betragen soll und die erforderliche Genauig keit der Schaltschwelle 10 siehe Lastenheft folgt APmin 1 kPa Daraus folgt dass unter ung nstigsten Bedingungen die Sensorfl che nicht kleiner sein darf als 61 Azmin _ min _ 303 107 m AP nin 33 Daraus folgt dass der minimale Durchmesser des Druckw chters ca 600 um be tr gt Die Berechnungen in den Kapiteln 7 2 2 und 7 2 4 zeigen dass der in Abb 7 2 dargestellte Drucksensor eine niedrigere Empfindlichkeit und einen gr eren Berst druck als der in Abb 7 1 dargestellte Drucksensor hat 7 2 5 Berechnung der maximal erlaubten Beschleunigungen Druckw chter aus PVDF Folien k nnen z B durch Montagearbeiten oder St e ge gen das Rohrleitungssystem starken Beschleunigungen und Vibrationen ausgesetzt sein Eine Beschleunigung a kann den folgenden maximalen Druck senkrecht zur Oberfl che der PVDF Folie hervorrufen Dabei wird angenommen dass die L nge der Fluids ule der Abstand zwischen der PVDF Folie und dem St tzloch im Geh use ist Dabei ist die Fl che des St tzloches sehr gering und somit kann der Einfluss des Fluides hinter dem St tzloch vernachl ssigt werden p Fpypr
78. amische Druckbelastungen Im Rahmen dieser Arbeit wurden Langzeituntersuchungen von PVDF Drucksensoren durchgef hrt Es wurden die Auswirkungen von dynamischen und statischen Druck belastungen auf die Kennlinie und andere Eigenschaften der Sensoren untersucht Unter dynamischen Druckbelastungen wird hier eine Belastung des Drucksensors mit einem st ndig wechselnden Druck verstanden z B von 0 bis 100 kPa Der Druck kann sich dabei mehrere Millionen Mal von seinem Minimum bis zum seinen Maxi mum ndern Dagegen ist eine statische Druckbelastung eine Belastung des Druck sensors mit einem konstanten Druck z B 100 kPa ber eine l ngere Zeit Die Langzeituntersuchungen k nnen mit dem oben beschriebenen Pr fstand durch gef hrt werden Der Pr fstand kann am Anfang die Sensorkennlinie messen danach f r eine bestimmte Zeit eine dynamische oder statische Druckbelastung anlegen und am Ende noch einmal die Sensorkennlinie messen Wenn der Drucksensor f r eine sehr lange Zeit untersucht werden soll z B 10 Millionen bis 100 Millionen Druck wechsel oder eine mehrmonatige statische Belastung ist die Verwendung des Pr f stands unwirtschaftlich Der oben beschriebene Pr fstand ist ein komplexes und teures Ger t Es kann nicht f r sehr lange Zeit mit einem Dauertest besetzt werden weil in dieser Zeit sonst keine anderen Experimente durchgef hrt werden k nnen Es ist wirtschaftlicher einen kosteng nstigen Dauerteststand zu entwickeln welche
79. annungsverstarkers mit Kapazitatsspannungsteiler ist in Ab bildung 5 7 dargestellt Der Spannungsverst rker hat den Spannungsverstarkungs faktor 1 er wird nur f r die Stromverst rkung benutzt Ua zur NI PCI 6052E oe 15V Abb 5 7 Spannungsverst rker mit Kapazitatsspannungsteiler f r den PVDF Sensor Der PVDF Sensor wird dabei als Kondensator mit der anfanglichen Ladung Q und Kapazit t Cpvor aufgefasst Die Kapazit t des Operationsverstarkers ist viel geringer als die Kapazit t des PVDF Sensors und die Kapazit t Co und wird deshalb vernachl ssigt Das Ausgangssignal des Verst rkers kann mit Gleichung 7 2 berech net werden a Q Co Cp VDF a Die Kapazitat betragt fur unterschiedliche Messungen von 0 bis 10 nF Die detektier te Sensorspannung wird parallel zur Auswerteschaltung gegen die Erdung abge griffen wobei Verfalschungen des Signals durch Einzelwiderstande Operationsver starker Messkarte sonstige Ohm sche Widerstande durch den hohen Widerstand 10 GQ der Messschaltung vernachlassigbar klein sind Der Messbereich der PCI 6052E Karte ist auf 10 V eingestellt 38 5 1 8 Messdatenauswertung von PVDF Druckw chtern Die Messdatenauswertungsalgorithmen unterscheiden sich f r unterschiedliche Mes sungen z B f r die Messung der Kennlinie oder der Messgenauigkeit des PVDF Sensors usw Die Algorithmen f r die Messdatenauswertung werden in Kapitel 7 und 8 dargestellt 5 2 Dauerteststand f r dyn
80. are treiber des Prazisionsdrucksensors Druckwerte in der Einheit Pascal liefert Die Kalibrierung des Referenzdrucksensorsignals S erfolgt w hrend der Mess wertaufnahme unter Speicherung der Kalibrierungskoeffizienten a b nach Glei chung 5 1 durch eine lineare Abbildung des urspr nglichen Signals S ST a b s 5 1 Damit beide Kennlinien parallel verlaufen errechnet sich der Koeffizient b aus dem Verhaltnis der Kennlinien Steigungen _ S P S B s R s P Ce Die Ubereinstimmung der Ordinatenabschnitte wird durch den Koeffizienten a erreicht a SP P b S P 5 3 Das Signal S des so kalibrierten Referenzdrucksensors S2 S4 Absolutdruck sensor weist eine Kennlinie mit dem Nulldurchgang eines Differentialdrucksensors auf und liefert ein Signal in der Einheit Pascal zur ck Die Kalibrierungskoeffizienten a b variieren f r verschiedene Messungen um jeweils maximal 5 5 1 6 Betriebscharakteristik von Klimaschr nken Zwei verschiedene Klimaschr nke kamen zum Einsatz der SB1 160 40 von Firma Weiss Umwelttechnik GmbH und der Klimaschrank VCL 4010 von Firma V tsch Industrietechnik GmbH Unten sind Betriebscharakteristiken dieser beiden Klima schr nke dargestellt Betriebscharakteristik des Klimaschranks SB1 160 40 Der Temperaturbereich des Klimaschranks reicht von 40 C bis 180 C Die Tem peratur nderungsgeschwindigkeit betr gt 3 3 C min beim Aufheizen und 3 5 C min beim Abk h
81. ation von Blenden Drosseln Ventilen und andere pneumatischen Elementen am Eingang bzw am Ausgang des Ventils werden als pneumatische Widerst nde am Eingang bzw am Ausgang bezeichnet Ein Druckw chter muss da an einem Ventil platziert werden wo sich beim Schalten der Druck ndert Das ist an jedem Anschluss des Ventils der Fall an dem ein pneu matischer Widerstand angebracht ist Der Druckw chter kann auch zwischen den beiden Anschl ssen des Ventils angebracht werden wenn mindestens an einem Anschluss des Ventils ein pneumatischer Widerstand angebracht ist Wenn weder am Einlass noch am Auslass des Ventils ein pneumatischer Widerstand angebracht ist und der Ventilausgang an einen Kolben mit einem kleinen Volumen angeschlos sen ist kann ein Druckw chter am Ausgang des Ventils oder zwischen Eingang und Ausgang angebracht werden weil der Druck am Ausgang des Ventils steigt wenn der Kolben mit Druckluft gef llt wird Keine der oben beschriebenen Anordnungen ist geeignet wenn das Ventil direkt an eine Konstantdruckquelle angeschlossen ist und hinter dem Ventil ein sehr gro er Kolben angebracht ist der nur zu einer sehr langsamen Druck nderung am Ausgang des Ventils f hrt Alternativ zu einem Druckw chter k nnte auch ein Flusssensor verwendet werden der die Str mung durch das Ventil misst Der Vorteil des Flusssensors ist dass er in allen oben beschriebenen Schaltungen auch in der Schaltung bei der ein Ventil ein Konstantdruc
82. atur Dauer Resistenz C Acetaldehyde Technically pure 23 7 days Acetic acid 50 lt 125 7 days Acetic acid 50 lt 150 7 days 0 Acetic acid 100 23 7 days Acetic anhydride 20 Acetone Technically pure 23 7 days Acetonitrile 20 Acetyl salicylic acid 100 Acetylene 20 Acid fumes 100 Alcohols 100 Aliphatic esters 100 Allyl chloride lt 100 7 days Alum 100 Aluminium chloride 100 Aluminium fluoride 50 Aluminium sulphate 100 Ammonia anhydrous 20 Ammonium acetate 50 Ammonium carbonate 50 Ammonium chloride 100 Ammonium fluoride 50 Ammonium hydroxide 30 lt 150 7 days Ammonium sulphate 50 lt 150 7 days Amyl Acetate Technically pure lt 50 7 days Amyl Acetate 100 Amyl Alcohol Technically pure lt 150 7 days Aniline Technically pure lt 40 7 days Aniline 100 Anilline hydrochloride 50 Antimony trichloride 60 Antimony trichloride 100 134 Aqua regia 60 Aqua regia 100 Aromatic solvents 100 Ascorbic acid 100 Beer 100 Benzaldehyde 23 7 days Benzene Technically pure 23 7 days Benzene Technically pure 50 7 days o Benzine regular lt 135 7 days Benzine benzene mixture lt 135 7 days Benzoic Acid saturated lt 125 7 days Borax 50 lt 150 7 days Boric acid 100 Brake Fluid lt 60 7 days Brines saturated 100 Bromide K solut
83. aximale Schaltfrequenz von kommerziell erh ltlichen Ventilen Deshalb hat die Resonanzfrequenz keinen Einfluss auf die Genauigkeit des Druckw chters 8 2 11 Arbeitstemperaturbereich und Temperaturabh ngigkeit Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Arbeitstemperaturbereich von PVDF Drucksensoren und ihre Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur gemessen Die Querempfindlichkeit des Drucksensors gegen ber der Temperatur wurde mit drei elektronischen Schaltungen gemessen Ladungsverst rker Spannungsverst rker mit Widerstandsspannungsteiler und Spannungsverstarker mit Kapazit tsspannungs teiler Diese elektronischen Schaltungen sind in Kapitel 5 1 7 beschrieben Wenn das Ausgangssignal eines Drucksensors mit dem Ladungsverst rker gemessen wird haben nur die piezoelektrischen Module d3 d32 und das einen Einfluss auf die Mess ergebnisse siehe Gleichung 7 13 Wenn ein Spannungsverst rker mit Widerstands spannungsteiler benutzt wird beeinflussen die Piezospannungskonstanten 937 932 933 das Ausgangssignal siehe Gleichungen 4 5 und 7 14 f r Co 0 Deshalb h ngt die Querempfindlichkeit davon ab mit welcher elektronischen Schaltung die Sensoren ausgelesen werden Wenn ein PVDF Drucksensor einen Spannungs verst rker mit Kapazit tsspannungsteiler hat wird seine Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur zwischen den Querempfindlichkeiten der beiden oben be schriebenen elektronischen Schaltungen liegen siehe Gleichung 7 1
84. b 6 1 ist ein PVDF Druckw chter dargestellt Die Konstruktion dieses Druckw chters ist in Abb 7 1 dargestellt Die gro en und die kleinen L cher am Rande des Geh uses sind f r Schrauben bzw Zuleitungsdr hte vorgesehen Die PVDF Folien in diesen Geh usen haben eine Sensorfl che mit einem Durchmesser von 4 mm PVDF Drucksensoren welche aus diesem Geh use aufgebaut sind wer den im Weiteren als geschraubte PVDF Drucksensoren bezeichnet 43 Wenn die Geh useteile eines Drucksensors durch Schwei en oder Kleben verbun den werden wird der Drucksensor als geschwei ter bzw geklebter Drucksensor bezeichnet Geschwei te und geklebte Drucksensoren k nnen kleiner als ge schraubte hergestellt werden weil in ihren Geh usen kein Platz f r die Schrauben vorgesehen werden muss In Abb 6 2 ist ein geschwei ter und in Abb 6 3 ein ge klebter PVDF Druckw chter dargestellt Alle im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Geh useteile sind durch Fr sen gefertigt worden Fr sen ist f r gro e St ckzahlen teurer als Spritzgie en f r die hier be schriebenen Experimente war Fr sen aber besser geeignet weil nur wenige Teile ben tigt wurden und Anderungen leichter m glich waren Abb 6 1 Geschraubter PVDF Drucksensor Abb 6 2 Mit Thermoschwei en herge stellter PVDF Drucksensor Abb 6 3 Geklebter PVDF Drucksensor 6 1 4 Elektronische Schaltung Der Aufbau einer elektronischen Schaltung f r den Druckw chter ist in den Ka
85. beitsfeuchtigkeitsbereich und Feuchtigkeitsabh ngigkeit Arbeitsfeuchtigkeitsbereich Die Experimente im Rahmen der vorliegenden Arbeit haben gezeigt dass PVDF Drucksensoren bei allen Luftfeuchtigkeiten funktionieren k nnen Ein PVDF Druck w chter muss dabei so konstruiert werden dass aus der Luft kondensiertes Wasser keinen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden der PVDF Folie bildet weil das zur Reduzierung der Ausgangsspannung f hren kann Die Elektroden von durch Schwei en hergestellten PVDF Drucksensoren sind sehr gut vor dem Eindrin gen der Luftfeuchtigkeit von au en gesch tzt Die Experimente haben gezeigt dass solche Drucksensoren sowohl in trockner als auch in feuchter Luft und in Wasser funktionieren k nnen Deshalb reicht der Luftfeuchtigkeitsbereich f r PVDF Druck sensoren von 0 bis 100 relativer Feuchtigkeit 99 Feuchtigkeitsabh ngigkeit Der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Sensorkennlinie wurde mit einem Drucksen sor mit einem nicht hermetisch geschlossenen Geh use untersucht Die Feuchte kann in das Geh use von solchen Drucksensoren eindringen und sich zwischen den Elektroden der PVDF Folie ablagern Das kann zur Senkung des Widerstands zwi schen den Elektroden der Folie zur Senkung der Abklingzeit und zur Senkung der Ausgangsspannung des PVDF Drucksensors f hren Deshalb haben Drucksensoren mit hermetisch geschlossenem Geh use eine geringere Feuchteabh ngigkeit Die Messungen der Ab
86. che Experiment wurde bei 65 C und Druck nderungen von 0 bis 100 kPa durchgef hrt und es war eine geringf gige Anderung der Kennlinie festzustellen Abb 8 28 links Das bedeutet dass sich die Alterung von PVDF Drucksensoren mit steigender Temperatur beschleunigt Die Alterung von PVDF Drucksensoren beschleunigt sich auch mit steigenden Dr cken Dieser Effekt wurde bei 20 C und bei Druck nderungen von 0 bis 200 kPa untersucht Das Ausgangssignal war nach 1 Million Druckbelastungen klei ner als am Anfang des Experiments Abb 8 28 rechts Der Vergleich der Abb 8 27 rechts und der Abb 8 28 rechts ergibt dass der Alterungsprozess sich erheblich mit steigendem Druck beschleunigt Deshalb darf der untersuchte Drucksensor bei 20 C ohne weitere Vorkehrungen nur mit Dr cken bis 100 kPa verwendet werden 3 gt Rechteck am Anfang Dreieck nach 1 Million 37 gt Druckbelastungen D D C Rechteck am Anfang 2 S Dreieck nach 100 Tausend 3 02 Kreis nach 1 Million Druckbelastungen 0 T T 04 T T 0 50 100 0 100 200 Druck kPa Druck kPa Abb 8 28 Ausgangssignal eines neuen PVDF Drucksensors am Anfang des Experiments und nach 1 Million Druckbelastungen von 0 bis 100 kPa bei 65 CT links und nach 100 Tausend bzw 1 Million Druckbelastungen von 0 bis 200 kPa bei 20 rechts 3 ei gt D z y z f Rechteck am Anfang a Dreieck nach 2 Millionen Kreis nach 50 Millionen
87. che Widerstand der PVDF Folie berechnet werden Angenommen die elektrische Spannung der PVDF Folie bei Temperaturen ber 60 C sinkt exponentiell dann kann die elektrische Spannung auf der PVDF Folie mit folgender Gleichung berechnet werden U U lr 0 e RO 8 20 Wenn die Zeit in welcher die Spannung der PVDF Folie bis zu einem bestimmten Wert z B 30 der Anfangsspannung sinkt bekannt ist kann aus Gleichung 8 20 der elektrische Widerstand R der PVDF Folie berechnet werden die verwendete PVDF Folie ist 7x9 mm gro 28 um dick r 12 Co 3 3 nF R T30 ee T30 2 U r 0 12 8 85 10 7 9 10 Co C In 1 2 3 3 10 0 Por Be 28 10 30 0 ___0 235 10 Ta 8 21 12 33 10 239 1077 1 2 3 54 10 F r 70 C to 23 s und R 5 4 GQ F r 90 C 70 3 8 s und R 0 9 GQ F r Temperaturen h her als 40 C sinkt der elektrische Widerstand der PVDF Folie um den Faktor 2 5 wenn die Temperatur um 10 C steigt Im Temperaturbereich von 108 40 C bis 40 C betr gt der elektrische Widerstand der PVDF Folie mehr als 100 GQ 8 4 4 Abh ngigkeit des elektrischen Widerstands von Spannung und Zeit Um die Abh ngigkeit des elektrischen Widerstands von der elektrischen Spannung und der Zeit zu untersuchen wurde die in Abb 8 25 dargestellte Messschaltung auf gebaut Abb 8 25 Elektronische Schaltung f r die Messung des Widerstands der PVDF Folie In der dargestellten Schaltung
88. d Hysteresefehler und eine zeitliche Drift des Sig nals Alterung Die folgende Bewertung stammt aus Tr n92 Fehler werden entweder absolut oder relativ zu einem Bezugspunkt definiert hier relativ zur Soll Signalspanne bei Nenn druck Fabs P S PVDF ist Pr S PVDF soll Po 8 4 S PVDF ist P ref N PVDF soll P ref Fret Prep p rs 8 5 Analog zu Gleichung 8 4 setzt sich die Ist Kennlinie aus der Soll Kennlinie und den absoluten Fehleranteilen zusammen S PVDF ist Pr S pypF soll Pur Fps Bo 8 6 Wobei der absolute Fehler sich aus den Fehleranteilen Nullpunktfehler Steigungs fehler und Linearit tsfehler zusammensetzt F P E gi Fyr Pa Fi Pr 8 7 abs 82 Der Nullpunktfehler ist die Differenz die zwischen Ist und Sollkurve am Referenz punkt Pyer o auftritt blicherweise ohne Druckdifferenz Dru S PVDF ist Paro S PVDF soll Pro 8 8 Entsprechend berechnet sich der Steigungsfehler zu Pe Pyef 0 Fy P ref as PVDF ist AS PypF soll AP 8 9 ref Der verbleibende Linearitatsfehler Fn Pres ist abh ngig vom nicht linearen Verlauf der Ist Kurve Es gibt verschiedene Methoden zur Darstellung der Linearitat eines Sensors und zur Auslegung von Ausgleichsgeraden Tran92 In der vorliegenden Arbeit wird die Ausgleichsgerade AG so ausgew hlt dass sie durch den Nullpunkt geht und die maximale Differenz zwischen den jeweiligen Punkten der Ausgleichsgera
89. d die Ausgangsspannungen eines PVDF Drucksensors in den ersten Sekunden nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa bei Temperaturen von 40 C bis 40 C dargestellt In Abb 8 23 ist der prozentuale An teil von Relaxations und Kriechspannung in der Ausgangsspannung des Druck w chters bei niedrigen Temperaturen hoch Danach sinkt er mit steigender Tempera tur und bei noch h heren Temperaturen steigt er wieder Dieser Effekt k nnte durch die Existenz von B und a Relaxationen in PVDF erkl rt werden Ezqu94 Lina96 Lina97 Liu97 Mano03 Mano04 Mijo97 Senc04a Sy00 40 C 0 o 20 C 10 C 0 C 10 C 20 C 30 C 14 40 C Spannung V 0 5 10 15 20 Zeit s Abb 8 23 Ausgangsspannungen eines PVDF Drucksensors in den ersten Sekunden nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa bei Temperaturen von 40 bis 40 Bei Temperaturen ab 30 C wird der elektrische Widerstand der PVDF Folie relativ gering was zur Absenkung der Ausgangsspannung f hrt Mehr ber die Abhangig keit des elektrischen Widerstands von der Temperatur wird in Kapitel 8 4 3 beschrie ben Um den Einfluss des Drucks auf Relaxations und Kriechverhalten von PVDF Folie zu ber cksichtigen wurde die Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors bei 200 kPa und bei 20 kPa Druckbelastung 10 s lang bei 30 C gemessen Es wurde festgestellt dass die Relaxations und Kriechspannung bei 200 kPa 16 und bei 20 kPa 8
90. d w hrend der Messung erw rmt 8 2 9 Ansprechzeit von PVDF Drucksensoren Die piezoelektrischen PVDF Folien welche als Sensorelemente in den Drucksenso ren verwendet werden haben eine relativ gro e Fl che 4 mm im Durchmesser geringe Dicke 28 um f r PVDF Folie und 12 um f r die Silbertintenbeschichtung auf beiden Seiten der Folie und eine relativ niedrige D mpfung Die Bandbreite von PVDF Folien reicht von 0 001 Hz bis 2 GHz MSI99 Deshalb ist es m glich mit PVDF Folien sehr schnelle Druck nderungen zu messen Die Druck nderungen k n nen sprungartig oder auch periodisch sein Der Frequenz von periodischen Druck n derungen kann im Schall oder im Ultraschallbereich liegen Die periodischen Druck nderungen Schall oder Ultraschallwellen k nnen u a durch Resonanzen in pneu matischen Systemen hervorgerufen werden Pneumatische Systeme k nnen mehrere Resonanzfrequenzen haben Hier ist ein Beispiel f r ein pneumatisches System mit einer Resonanzfrequenz f dargestellt Abb 8 11 Bei diesem Versuch war ein Schnellschaltventil MHE3 MS1H 3 2G QS 6 K von Festo Fest06 an ein Konstantdrucknetz angeschlossen Wenn das Ventil ffnet str mt die Druckluft in ein geschlossenes Rohr Das Rohr hat eine Lange L Nachdem sich das Ventil ge ffnet hat erreicht die Druckwelle nach der Zeit L T das Rohrende Sie wird vom Rohrende reflektiert und kommt zur ck zum C Luft Ventil Die Druckwelle wird am Ventil wieder reflekt
91. den und der Ist Kurve minimal ist Der Linearit tsfehler wird wie in Abb 8 3 dargestellt als maximale Differenz zwischen der Ist Kurve und der Ausgleichsgerade definiert siehe Gleichung 8 10 Der relative Linearit tsfehler kann mit Gleichung 8 11 berechnet werden Fa P max S pypr is Fo Sac Par 8 10 S P r J Sac P Fia max ee re io ref Ms 8 1 1 AS ac SPvDF gt Ausgleichsgerade ASPVDF ist PVDF Signal ASac Fi Pres Referenzdrucksensor 2 AP ret Abb 8 3 Charakteristisches Sensordiagramm mit einer Ausgleichsgeraden AG 83 8 2 Leistungsdaten von PVDF Drucksensoren 8 2 1 Berstdruck und Arbeitsdruckbereich Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Berstdruck und der maximale Arbeitsdruck bereich von PVDF Drucksensoren gemessen Es wurden zwei Arten von PVDF Drucksensoren getestet Drucksensoren aus 28 um dicker einachsig gestreckter piezoelektrischer PVDF Folie mit 6 um dicker Silbertintenbeschichtung von Firma MSI USA und Drucksensoren aus 25 um dicker zweiachsig gestreckter piezoelek trischer PVDF Folie mit 70 nm Gold auf Platin Beschichtung von Firma Piezotech Frankreich Der Durchmesser der Sensorfl che von beiden Drucksensoren betr gt 4 mm Beiden Drucksensoren halten mehr als 1 2 MPa Druck bei Raumtemperatur stand Die Sensoren wurden mit dem entsprechenden Druck f r wenige Sekunden belastet Messungen bei h heren Dr cken wurden nicht durchgef hrt
92. dicker PVDF Folie Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Drucksensoren mit 515 um dicker piezoelektrischer PVDF Folie untersucht Diese Folie war beidseitig mit 10 um Kup ferschicht beschichtet Diese PVDF Folie wurde bei Airmar Technology Corp herge stellt AIRM99 Die dicke PVDF Folie hat den Vorteil dass sie auch h here Dr cke aushalten kann Der mit Gleichung 8 12 berechnete maximale Arbeitsdruck f r Drucksensoren mit 515 um dicker PVDF Folie mit 4 mm Durchmesser betr gt oy 0 to 1 v Dieser Druck ist ca 18 mal gr er als der maximale Arbeitsdruck von Drucksensoren mit 28 um dicker PVDF Folie Das Ausgangssignal des Drucksensors mit der 515 um dicken Folie wurde bei Dr cken bis 470 kPa gemessen Abb 8 32 Die Drucksenso ren mit 28 um und 25 um dicker PVDF Folie haben allerdings eine viel bessere Empfindlichkeit und Aufl sung als die Drucksensoren mit 515 um dicken Folien Das Ausgangssignal von Drucksensoren mit 515 um dicken PVDF Folien ist gering Deshalb sind diese Drucksensoren empfindlich gegen ber elektromagnetischen St rungen Die Kennlinie in Abb 8 32 ist anders als die Kennlinien der d nnen Folien zunehmend steigend Der Grund f r dieses Verhalten ist vermutlich dass in einer dicken Folie die Biegemomente am Folienrand eine gr ere Rolle spielen w hrend d nne Folien vor allem entlang ihrer neutralen Faser gedehnt werden N oO l Spannung mV 0 100 200 300 400 500 Druck
93. drei Belas tungsgeschichten gemessen 1 o r 0 22 o 0 10 0 sin ot N 9 10 Zyklen 2 o r 0 30 c 0 100 sin or N 9 10 Zyklen 3 or 0 30 oy 0 10 cy sin mit oy 45 MPa und w 20 Hz Es wurde festgestellt dass der Prozess der zyklischen Schadensentwicklung in PVDF sofort nach dem Anbringen der Last anf ngt Das Ausma der Sch digung h ngt dabei direkt von der Gr e der Mittelwertspannung ab sodass die Schadens entwicklungsrate stark zunimmt wenn die Gr e der Mittelwertspannung steigt Es wurde keine weitere Schadensentwicklung im Polymer festgestellt nachdem die zyklische Belastung beendet wurde und nur die statische Last stehen blieb Vino03 Die Schadensentwicklung und die Rissbildung in PVDF Folien k nnen zur Verringe rung der Streckfestigkeit von PVDF Folien f hren T N 4 10 Zyklen gefolgt mit o 0 30 Oy const W hrend des Kriechens von PVDF und Copolymer Folien in 1 und 2 Richtung steigt die Fl che und sinkt die Dicke dieser Folien Das f hrt zur Erh hung der Kapazit t der Folien siehe Gleichung 4 3 Die Erh hung der Kapazit t f hrt zur Verringerung der Ausgangsspannung Daraus folgt dass Kriechen und Alterung von PVDF Folien zur Verminderung des Ausgangssignals f hren Im Weiteren sollen die speziellen Ma nahmen erarbeitet werden welche den Einfluss des Kriechens auf die Messgenauigkeit minimieren 28 4 5 2 Einfluss von mechanischer Belastung und Verformung Lancer
94. druck AP ax 530 kPa 58 Wenn ein Druckw chter St tzl cher mit 2 R 200 um Durchmesser hat dann be tr gt der Berstdruck AP ax 10 7 MPa Der Berstdruck hangt sehr stark von der Temperatur ab weil die Streckfestigkeit und der Elastizitatsmodul von PVDF Folien von der Temperatur abhangig sind Aya97 Vino02a Es muss auch ber cksichtigt werden dass piezoelektrische PVDF Folien wegen ihrer starken anisotropen Eigenschaften in Querrichtung starker kriechen als in L ngsrichtung Mit dem Kriechen verringern sich die Dicke und evtl auch die Streckfestigkeit und der Elastizit tsmodul von PVDF Folien Das kann zur Ver nde rung des Berstdruckes f hren Der Berstdruck f r die PVDF Folie des in Abbildung 7 2 dargestellten Druckw chters betr gt mehrere GPa MSI99 Der Berstdruck des gesamten PVDF Druckw chters wird somit durch die Festigkeit des Geh uses bestimmt 7 2 3 Berechnung der Kennlinie eines PVDF Drucksensors und der Quer empfindlichkeit gegen ber Temperatur nderungen Die Kennlinie eines PVDF Drucksensors ist die Abh ngigkeit der Ausgangsspannung oder der Ausgangsladung vom angelegten Druck Die Kennlinie eines PVDF Druck sensors mit dem Spannungsausgangssignal kann mit Gleichung 7 14 beschrieben werden Die Kennlinie eines PVDF Drucksensors kann vereinfacht so dargestellt werden U k VAP k AP 7 16 Die Koeffizienten k und kz hangen von den Abmessungen von der Temperatur vom Druck vom Kr
95. e Deshalb wird die Signal nderung aus Gleichung 8 2 bei Druck belastung im Diagramm als Ordinatenwert aufgetragen Einzelne Messwerte werden ber Interpolationsverfahren in eine Messkurve ber f hrt In Abbildung 8 2 ist eine solche Messwertaufnahme mit Ausgleichskurve als Kennlinie schematisch dargestellt Ist Kurve Der Wertebereich von Referenz und PVDF Drucksensorsignal APrer ASpvor wird im Folgenden als Spanne bezeichnet Die Signalausgabe bei Nenndruck wird auch als FSO Full Scale Output bezeichnet 81 eT l S a Faps Pret Pe a Ist Kurve fe 2 Q u U a a gt SE S a Y lt y Preto Referenzdrucksensor 2 Pret AP ret Abb 8 2 Charakteristisches Sensordiagramm mit Fehleranteilen Bei der Herstellung von Sensoren kommt es zu Exemplarstreuung abweichenden Charakteristiken von Sensoren gleicher Bauart Ferner entspricht die reale Kennlinie Ist Kurve nicht einer idealen Kennlinie Soll Kurve welche linear ist und durch den Nullpunkt geht Die Soll Kurve entspricht der erw nschten reprodozierbaren Sensor charakteristik Ihr Verlauf ist somit eine Frage eigener Definition Reale Kennlinien werden dabei aufgrund von idealen Kennlinien unter Ber cksichtigung von Fehleran teilen bewertet Diese Fehleranteile Tr n92 sind klassifizierbar in kompensierbare Fehler wie Nullpunktfehler Steigungsfehler und Linearit tsfehler Nicht oder nur schwer kompensierbare Fehler sin
96. e 7 37 ae Vc vv PTN Ty dQ Rry Thy Try k C P k 7 38 ae P Voy vFv Prn Ty 3 Die Anstiegsrate der elektrischen Ladung k3 h ngt von der Druckaufbaugeschwindig keit ab und ist eine Funktion der Zeit Der Einfachheit halber kann die Anstiegsrate der elektrischen Ladung als konstant angenommen werden dQ _ ky konst f rTt 0Q0 T9 7 39 dr Die Druckanstiegszeit t vom Druck Posy bis zum Druck P y kann mit Hilfe von Glei chung 7 35 berechnet werden 3 Vay Viv Rry Thy Cy Pry In Somit kann die Druckanstiegszeit als konstant angenommen werden wenn Piv gt gt Poev Wenn diese Ungleichung nicht erf llt ist wird die Druckanstiegszeit zp eine Funktion von P v und Pozv Die Abh ngigkeit der Druckanstiegszeit to von P y wird in dem n chsten Kapitel experimentell untersucht To konst 7 40 Messung der Signalanstiegszeit_ und der Druck nderung am Drucksensor nach dem Einschalten des Schnellschaltventils Messungen am Pr fstand haben gezeigt dass der Druckanstiegszeit am Drucksen sor hinter dem Schnellschaltventil V4 eine Funktion der Differenz zwischen dem Druck am Einlass des Schnellschaltventils und dem Anfangsdruck am Drucksensor Pozv ist In diesen Experimenten war der Anfangsdruck am Drucksensor immer gleich dem Atmosph rendruck Der Druck am Einlass des Schnellschaltventils P v ist immer relativ zum Atmosph rendruck gemessen Z B bei Piy 12 kPa betr gt die Druckanstiegszeit in unseren Messungen ca 4 5
97. e Gase m Ss Ta durch unorientierte PVDF Filme Barrer good Kohlenstoffdioxid bei 25 C 0 2 Sauerstoff bei 25 C 0 03 Stickstoff bei 25 C 0 03 24 Wasserstoff bei 0 C 0 25 Wasserstoff bei 25 C 0 25 f r einachsig gereckte PVDF Folie Wenn statt dem Volumenstrom der Massenstrom berechnet werden soll kann die folgende Gleichung benutzt werden a AAP Mm a kg s 4 10 Der Permeabilitatskoeffizient amp m f r Wasserdampf durch PVDF Filme wird von West lake Plastics Company West01 angegeben zu g mil kg m a 26 116926109 2 100in 25hrs atm m Pa s Zur Berechnung des Massenstroms f r Wasserdampf durch eine 25 um dicke PVDF Folie bei einer Druckdifferenz von 0 1 MPa und einer Fl che von 10 mm ergibt sich durch Einsetzen in Gleichung 4 10 Qp AAP _ 1 16926 107 6 10 10 105 t 25 10 Die Berechnung des Volumenstroms f r Sauerstoff bei 25 C durch dieselbe Folie ergibt AAP _0 03 107 7 10 10 10 012810 2 t 25 10 s m a 4 6770410 8 0 017 S 3 12 m 0 043 H h Bei der Berechnung von Massenstrom m und Volumenstrom Qp f r Wasserdampf und Sauerstoff wurde der Einfluss der metallischen Beschichtung aus Gold und Platin oder einem anderen Metall nicht betrachtet Die metallische Beschichtung verringert aber die Diffusion von Gasen und Fl ssigkeiten durch die PVDF Folie mit der Folge dass sich die Leckage zus tzlich
98. e S uren und L sungsmittel usw Der Einfluss des Verschwei Bens von Membran und Geh use auf die Eigenschaften der Kennlinien wurde unter sucht und die Eigenschaften von PVDF Drucksensoren bei der Druckmessung in Wasser und in Luft wurden mit einander verglichen Die Eignung der Sensoren f r die berwachung von pneumatischen Ventilen wurde mit einem Demonstrator unter sucht Zusammenfassende Ergebnisse Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Drucksensoren wurden erfolgreich f r die Druckmessung in Gasen und Fl ssigkeiten verwendet Drucksensoren mit 28 um dicker PVDF Folie mit 4 mm Durchmesser wurden in einem Arbeitsdruckbereich von 0 bis 200 kPa getestet Es wurde gezeigt dass der Berstdruck des Sensors mehr als 118 1 2 MPa betr gt Der maximale Arbeitsdruck und Berstdruck sind proportional zur Dicke und umgekehrt proportional zum Durchmesser der PVDF Folie Der Durch messer der kleinsten realisierten Drucksensoren betrug 4 mm ihre L nge 5 mm und ihre Masse ca 50 mg PVDF Drucksensoren k nnen bei Temperaturen von 40 C bis 120 C und bei einer relativen Feuchte von 0 bis 100 verwendet werden Eine Temperaturkom pensation ist in den meisten F llen notwendig PVDF Drucksensoren haben bei niedrigen Temperaturen eine sehr lange Lebens dauer Bei Raumtemperatur hielten diese Sensoren mehr als 50 Millionen Druckbe lastungen von zwischen 0 und 100 kPa aus Bei erh hten Temperaturen zeigte sich eine geringere Lebensdau
99. echen und Relaxation verantwortlich Die Ausgangsspannung h ngt hier nicht nur von 104 Druck und Temperatur sondern auch von der Zeit ab Diese elektrischen Spannun gen werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit als Kriech bzw Relaxationsspannung bezeichnet Im zweiten Bereich steigt die Sensorspannung um ca 12 bei 20 C und 200 kPa Druck Der Bereich 2 dauert ca 1 s In Bereich 3 steigt die Sensor spannung mit einen viel langsameren Tempo weiter Dieses Tempo nimmt mit der Zeit ab Im Bereich 3 steigt die Ausgangsspannung in 7 s um ca 6 Nach dem Auf heben der Druckbelastung sinkt die Ausgangsspannung in hnlicher Weise wie sie gestiegen ist Spannung V ET DT I Effekt von Kriechen AH und Relaxation 0 50 100 150 Zeit s Abb 8 21 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors w hrend einer sprungartigen Anderung des Drucks von 0 bis 200 kPa und wieder zur ck bei T 20 TC Spannung V 5 10 Zeit s Abb 8 22 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors in den ersten Sekunden nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa bei T 40 T Aus Abb 8 21 und 8 22 folgt dass f r die Messung von Druck nderungen von weni ger als ca 1 s Dauer Relaxation und Kriechen vernachl ssigt werden k nnen F r 105 die Messung von Druck nderungen die l nger als ca 1 s dauern sollte der Einfluss von Relaxation und Kriechen auf das Ausgangssignal ber cksichtigt werden In Abb 8 23 sin
100. edliche Richtungen Eine Gleichung f r die Berechnung der mechanischen Spannung als Funktion der Druckbelastung ist f r anisotrope Membranen nicht vorhanden Um Gleichung 7 11 auch f r PVDF Folie benutzen zu k nnen werden die Elastizitatsmodule und Querdehnungszahlen f r unterschiedliche Richtungen gemittelt und in Gleichung 7 11 eingesetzt In Abbildung 4 12 ist zu sehen dass die Elastizit tsmodule in 1 und 2 Richtung sich um maximal 75 unterscheiden im Temperaturbereich von 50 C bis 121 C Die Querdehnungszahlen von PVDF Folie befinden sich im Bereich von 0 18 bis 0 8 siehe Tabelle 11 1 Wenn die ung nstigsten Kombinationen von Elastizit tsmodulen und Querdehnungszahlen in Gleichung 7 11 eingesetzt werden um die maximal und minimal m glichen Werte der mechanischen Spannung o zu berechnen kann die Verwendung von Gleichung 57 7 11 im ung nstigsten Fall bis 120 Fehler verursachen Da keine Gleichung f r anisotrope Folien vorhanden ist wird Gleichung 7 11 unter Ber cksichtigung der gro en m glichen Fehler verwendet Die mechanische Spannung in 3 Richtung setzt sich zusammen aus der Spannung die durch die Querdehnung aufgrund der lateralen Dehnungen entsteht und der Spannung aufgrund der Druckdifferenz die ber der Folie abf llt 0 2Vv0o 4AP 7 12 Nach Einsetzen von Gleichungen 7 11 und 7 12 in Gleichung 7 1 und unter der An nahme dass die PVDF Folie sich nur im Fl chenbereich A dehnt ergibt sich
101. eiten anders konstruiert sein sollte Das Totvolumen des Dr ckw chters und die Durchmesser der St tzl cher sollten m glichst klein sein Dadurch wird der Wert Lriia in Gleichung 7 28 geringer und der Wert der maximalen Beschleunigung gr er 62 Wenn ein Druckw chter einer Vibrationsbeschleunigung ausgesetzt ist und das Fre quenzspektrum der Vibrationen sich deutlich vom Frequenzspektrums des Druckes unterscheidet ist es m glich anhand eines entsprechenden Filters die Signale die durch Vibrationen verursacht werden auszufiltern und damit auch die Messfehler zu minimieren 7 2 6 Einfluss des Folienwiderstands auf die Messergebnisse Die PVDF Folie mit den daran angeschlossenen elektronischen Schaltungen kann vereinfacht als parallele Verschaltung von Kapazit ten und Widerst nden dargestellt werden siehe Abbildung 7 3 Abb 7 3 Vereinfachte Darstellung einer PVDF Folie mit elektronischen Schaltungen C Cpypr Co 7 29 R Rpypr Ro 7 30 Rpypr Ro Wenn die PVDF Folie mit einem Druck belastet ist wird eine elektrische Ladung erzeugt Diese Ladung steigt im Zeitintervall von 0 bis man Im Folgenden wird be rechnet wie sich die elektrische Ladung mit der Zeit ndert und wie gro die Signalanstiegszeit 7 ist Berechnung der Signalanstiegszeit to fur hohe Dr cke P Ein Ventil wird im Allgemeinen durch seinen pneumatischen Leitwert Cy und sein kritisches Druckverh ltnis by charakterisiert Murr99 Bei realen Ventilen
102. ektrische PVDF Folie unterschiedli che Temperaturausdehnungskoeffizienten haben kann sich in der PVDF Folie eine mechanische Vorspannung aufbauen welche durch die Temperatur nderung ver ursacht ist Die piezoelektrischen Konstanten einer PVDF Folie sind von der mecha nischen Vorspannung abh ngig Deshalb ndern sich die piezoelektrischen Module wenn die PVDF Folie durch die Temperatur nderung vorgespannt wird Um den Ein fluss der Temperaturausdehnung des Sensorgeh uses auf die piezoelektrischen Konstanten der PVDF Folie zu minimieren muss das Sensorgeh use aus dem gleichen Material wie die Sensorfolie hergestellt werden 4 3 2 Frequenzabh ngigkeit des Piezoeffekts Das nichtlineare Verhalten von PVDF hat eine ausgepr gte Relaxation nderung der piezoelektrischen Module mit der Zeit nach dem Einfluss einer konstanten mechanischen Spannung Schu91 Sowohl der piezoelektrische Modul bei hochfrequenter mechanischer Belastung als auch die Relaxationsstufe Differenz zwischen dem piezoelektrischen Modul bei konstanter mechanischer Spannung und bei hochfrequenter mechanischer Span nung h ngen von einer statischen Vorspannung ab Die Relaxationszeit 7 die Zeit in welcher die piezoelektrische Konstante sich nach dem Anlegen einer mechani schen Belastung ver ndert ist weitgehend unabh ngig von der Vorspannung und die Temperatur Schu91 Die Frequenzabhangigkeit der Piezokonstanten d32 f r ver schiedene Temperaturen ist in Abbild
103. en auf dem piezoelektrischen Transformator Prinzip basie renden Drucksensor aus PVDF Folien entwickelt Schu91 In diesem Sensor wird die Abh ngigkeit des piezoelektrischen Moduls d32 von der mechanischen Spannung ausgenutzt Die nichtlinearen Eigenschaften von PVDF Folien sind in Abbildung 3 1 dargestellt Auffallend ist die lineare Abnahme des piezoelektrischen Moduls mit der statischen mechanischen Spannung Schu91 d32 d32 W gt Wp W lt Wp Wp w a Abb 3 1 Prinzipielle Frequenz und Spannungsabh ngigkeit von einachsig gerecktem PVDF a 30 Hz nach Schu91 Der prinzipielle Aufbau des Drucksensors und das Funktionsprinzip des piezoelektri schen Transformators sind in Abbildung 3 2 dargestellt Die PVDF Folien 1 und 2 sind zusammengeklebt und werden in X Richtung gedehnt Dabei entsteht eine 11 Zugspannung ox in beiden Folien Folie 2 wird mit einer Wechselspannung U ange regt Dadurch vibriert Folie 2 Diese Vibration wird auf Folie 1 bertragen Die Aus gangsspannung Ua wird an Folie 1 gemessen Der Ubertragungsfaktor ist das Ver h ltnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung Die nichtlinearen Eigen schaften der Folie f hren zu einer lastabh ngigen Anderung des Ubertragungsfak tors Daraus ergibt sich bei konstanter Eingangsspannung eine Anderung der Aus gangsspannung mit der auf die Folie wirkenden Kraft Schu91 Ox Us Ue Abb 3 2 Prinzipieller Aufbau des Sensors aus uniaxialen PVDF Folien
104. en besitzen folgende Eigenschaften 1 die Sensoren k nnen f r die Druckmessung in Gasen und in Fl ssigkeiten ein gesetzt werden 2 sie haben eine sehr kurze Messzeit die nur Bruchteile vom Mikrosekunden betr gt 3 dank Ihrer kurzen Messzeit und niedrigen D mpfung k nnen diese Drucksen soren periodische Druck nderungen im Bereich von Schall und Ultraschall frequenzen messen 4 sie k nnen bei Temperaturen von 40 C bis 120 C verwendet werden eine Temperaturkompensation ist allerdings in den meisten F llen notwendig 5 die PVDF Drucksensoren k nnen von 0 bis 100 relativer Feuchte verwen det werden die Ver nderung der Kennlinie liegt dabei bei weniger als 10 116 6 PVDF Drucksensoren sind gegen ber vielen starken S uren L sungsmitteln und anderen Chemikalien chemisch innert Die Chemikalien k nnen als Druckmedien direkten Kontakt mit dem Sensorelement und Sensorgeh use haben Die Kennlinie muss allerdings in der Regel auf das jeweilige Medium kalibriert werden PVDF Drucksensoren haben bei niedrigen Temperaturen eine sehr lange Lebensdauer Bei Raumtemperatur k nnen PVDF Drucksensoren mehr als 50 Millionen Druckbelastungen aushalten bei hohen Temperaturen haben PVDF Drucksensoren eine geringere Lebens dauer als bei niedrigen Temperaturen Sie k nnen z B bei 65 C mehr als 1 Million Druckbelastungen aushalten PVDF Drucksensoren k nnen bei niedrigen Temperaturen von 40 C bis 3
105. en soll kann er so konstruiert werden wie es in Abbildung 7 2 dargestellt ist 7 1 2 Relativdruckw chter Die Konstruktion eines Relativdruckw chters ist in Abbildung 7 2 dargestellt Die PVDF Folie liegt frei auf dem unteren Teil des Geh uses oder ist dort aufgeklebt Die oberen und unteren Teile des Geh uses sind zusammen geklebt oder verschwei t HH i M Geh use Elektrode a Il Piezoelektrische PVDF Folie LLL ZL Elektrische Kontakte Abb 7 2 Konstruktion eines Relativdruckw chters f r sehr hohe Drucke Ein Relativdruckw chter mit einer solchen Konstruktion kann viel gr eren Druck aushalten als der in Abbildung 7 1 dargestellte Druckw chter Der Grund daf r ist dass der angelegte Druck die PVDF Folie in diesem Druckw chter zusammen 55 dr ckt Die PVDF Folie kann Kompressionsdr cke bis mehrere GPa aushalten MSI99 Zum Vergleich der in Abbildung 7 1 dargestellte Druckw chter kann nur bis zu einigen MPa funktionieren vgl Kapitel 7 2 2 PVDF Druckw chter mit der in Abbildung 7 2 dargestellten Konstruktion k nnen auch in hydraulischen Anlagen f r die Messung sehr hoher Dr cke genutzt werden Der maximale Arbeitsdruck f r so einen Druckwachter ist durch die Festigkeit des Geh uses und nicht durch den maxi malen Arbeitsdruckbereich der PVDF Folie bestimmt Nachteilig bei der in Abb 7 2 gezeigten Konstruktion ist dass kleine Dr cke nicht so gut gemes
106. ene fluoride polymers for use in space environments Temperature limitations 2005 Wiley Periodicals Inc Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics Volume 43 Issue 11 Pages1310 1320 2005 Tim R Dargaville Mathew Celina Jeffrey W Martin Bruce A Banks Evaluation of piezoelectric PVDF polymers for use in space environments Il Effects of atomic oxygen and vacuum UV exposure 2005 Wiley Periodicals Inc Journal of Polymer Science Part B Polymer Darg06 Dest84 Drec03 Dvor87 Ezqu94 Fest03 Fest06 Gems04 Groo01 Gu02 Hahn05 HarrO1 Hera06 Hoda90 Howe05 123 Physics Volume 43 Issue 18 Pages 2503 2513 2005 T R Dargaville M Celina R L Clough Evaluation of vinylidene fluoride polymers for use in space environments Comparison of radiation sensitivities Radiation Physics and Chemistry 75 pp 432 442 2006 Destruel P Rojas F S Tougne D and Hoang The Giam J Appl Phys 56 11 3298 3303 1984 Rainer Drechsler Wolfgang Lukasczyk Pressure Switch US Patent Number US 2003 0089176 A1 Publication Date 15 05 2003 Dvorsky James E Kelley Brian A Mccown Robert B Renner G Frederick Active tactile sensor apparatus and method European Patent Number EP0235494 A1 Applicant Battelle Memorial Institute US Date of Publication 9 September 1987 T A Ezquerra F Kremer F J Balta Calleja E L Cabarcos J Polym Sci Polym Phys 32 1
107. er Sie konnten z B bei 65 C mehr als 1 Million Druckbe lastungen von 0 auf 100 kPa aushalten Die entwickelten PVDF Drucksensoren konnten bei niedrigen Temperaturen von 40 C bis 30 C quasistatische Druck nderungen einige Minuten lang messen Bei hohen Temperaturen k nnen sie langsame Druck nderungen nicht messen z B darf die Messzeit bei 90 C nicht mehr als 0 65 s betragen Die Sensoren sind gegen ber vielen starken S uren L sungsmitteln und anderen Chemikalien chemisch innert PVDF Folien wurden f r eine Woche bei Raumtempe ratur in Tetrahydrofuran mind 99 Chloroform mind 99 Ethanol mind 99 Trichlorethylen mind 99 Schwefels ure 95 97 eingetaucht und konnten weiterhin in Drucksensoren f r die Ventil berwachung verwendet werden Die Kennlinie musste allerdings in der Regel auf das jeweilige Medium kalibriert werden Die gemessene Ansprechzeit der PVDF Drucksensoren betrug weniger als 0 1 ms Nach Literaturangaben k nnen PVDF Folien f r die Messung von Signalen bis 2 GHz verwendet werden was einer Ansprechzeit von wenigen Nanosekunden ent spricht Experimente mit einem Demonstrator haben gezeigt dass der PVDF Druckw chter zuverl ssig funktioniert und alle simulierten Fehlzust nde des Ventils zuverl ssig feststellen kann Der Preis der PVDF Drucksensoren wurde soweit m glich abgesch tzt Er setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen PVDF Folie 10 20 Cent PVDF Geh use
108. er Bearbeitung ca 20 um 6 1 3 Geh use Das Geh use der PVDF Druckw chter kann aus unterschiedlichen Materialen herge stellt werden Um eine gute chemische Best ndigkeit und einen breiten Arbeitstem peraturbereich des PVDF Druckw chters zu erm glichen ist es g nstig das Geh u se des Druckw chters aus PVDF herzustellen PVDF hat eine sehr gute Best ndig keit gegen ber vielen Chemikalien vgl Tabelle 11 2 und ein PVDF Geh use hat den gleichen oder fast den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die piezoelektrische PVDF Folie Damit werden ein gro er Arbeitstemperaturbereich und eine kleine Temperaturabh ngigkeit erreicht Das Geh use des Druckw chters kann mit Hilfe unterschiedlicher Herstellungsver fahren aus PVDF hergestellt werden z B durch Fr sen oder Spritzgie en Das g n stigste Verfahren f r die Herstellung des Geh uses aus PVDF ist Spritzgie en Die Fertigung von PVDF Druckw chtern hat gezeigt dass die geringste erforderliche Herstellungstoleranz 50 um betr gt Mit dieser engen Herstellungstoleranz muss nur das Loch ber dem die PVDF Folie frei aufh ngt wird hergestellt werden weil die Form und Gro e des Lochs einen direkten Einfluss auf die Kennlinie des Druck w chters haben Alle anderen Abmessungen k nnen mit einer geringeren Herstel lungstoleranz z B 200 um hergestellt werden Unterschiedliche Konstruktionen eines PVDF Druckw chters sind in Kapitel 7 1 dar gestellt In Ab
109. er Kammer des Klimaschranks eingestellt Nachdem Temperatur und Feuchtigkeit eingestellt sind wartet das Programm bis zu einen bestimmten im Zeitplan definierten Zeitpunkt Dann wird die Sensorkalibrierung durchgef hrt Dabei werden die Drucksensoren S2 und S4 kalibriert Die Sensor kalibrierung ist in Kapitel 5 1 5 im Detail beschrieben Nach der Kalibrierung wird der Messstand f r die Durchf hrung des geplanten Experiments eingestellt Dabei werden alle notwendigen Parameter f r das geplante Experiment definiert Nach der Definition des Experimentes wird es durchgef hrt Dabei werden die Schaltventile und das Druckregelventil gesteuert und die Sensoren abgefragt Alle Messdaten werden auf der Festplatte gespeichert Der Pr fstand kann folgende Experimente durchf hren Messung der Kennlinie eines PVDF Drucksensors Messung der Wiederholgenauigkeit Messung des elektrischen Widerstands eines PVDF Drucksensors oder einer PVDF Folie Untersuchung des Kriechverhaltens des PVDF Drucksensors Anlegen einer statischen und einer dyna mischen Druckbelastung an einen Drucksensor Nachdem das Experiment abgeschlossen ist werden die Messdaten bearbeitet und die daraus resultierenden Messergebnisse werden im Computer gespeichert und auf dem Bildschirm dargestellt Nachdem das Experiment abgeschlossen ist wird entweder entsprechend des Zeit plans ein neues Experiment gestartet oder der Pr fstand zusammen mit dem Klima schrank heruntergefahren
110. er Woche zu mehreren Ventilausf llen kommen kann Die Suche nach einem fehlerhaften Ventil kann viel Zeit in Anspruch nehmen und der entstehende Schaden kann sehr gro sein Deshalb w re es w nschenswert die Funktion eines Ventils auf einfache Weise kontrollieren zu k nnen Dadurch kann das fehlerhafte Ventil schnell gefunden und ausgetauscht werden Die entstehenden Sch den werden entsprechend reduziert Die Funktion eines Ventils kann mit einem Druckw chter kontrolliert werden Die theoretischen Grundlagen der Zustands ber wachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen mit Hilfe von Druckw ch tern werden im folgenden Kapitel dargestellt 2 2 Anordnung von Druckw chtern zur Zustands berwachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen Ein Druckw chter muss folgende Zust nde feststellen k nnen das Ventil ffnet wenn es ffnen soll das Ventil bleibt ge ffnet das Ventil schlie t wenn es schlie en soll das Ventil bleibt geschlossen Dazu muss ein Druckw chter viel preisg nstiger als ein Ventil sein Im Weiteren wird der Einsatz von Drucksensoren in pneumatischen Schaltungen analysiert weil die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Druckw chter haupts ch lich f r den Einsatz in der Pneumatik vorgesehen sind Die Ergebnisse welche f r pneumatische Schaltungen erzielt werden k nnen auch auf hydraulische Schal tungen bertragen werden Der Einfachheit halber wird ein 2 2 Wege Schaltventil betrachtet Kombin
111. er definiert als der maximale Unterschied im Ausgangssig nal bei unterschiedlichen Messungen beim gleichen Druck Die Messung der Wiederholbarkeit von PVDF Drucksensoren wurde in folgender Weise durchgef hrt Temperatur und Druck im System wurden konstant gehalten Ein Drucksensor wurde 240 mal in 10 Sekunden Intervallen mit dem Systemdruck belastet und das Sensorsignal wurde gemessen Die Wiederholbarkeit wurde bei 20 C und 80 C und bei ca 50 100 150 200 250 300 350 und 380 kPa gemes sen Folgende Faktoren beeinflussen die gemessene Wiederholbarkeit die Wiederholbar keit der PVDF Drucksensoren selbst das Rauschen des Messverst rkers die F hig keit des Druckregelventils einen konstanten Druck zu halten Das Ausgangsignal des Drucksensors ndert sich wenn der Druck im System sinkt oder steigt was zur Erh hung der Messfehler f hrt In Abb 8 9 sind 240 Ausgangssignale eines PVDF Drucksensors bei 20 C und bei ca 50 kPa dargestellt Das Druckregelventil nderte den Druck im System von ca 44 kPa bis 48 kPa Die aus Abb 8 9 berechnete Wiederholbarkeit des PVDF Drucksensors betr gt ca 0 25 In diesen 0 25 sind auch das Rauschen des Messverst rkers und der Einfluss des Druckregelventils enthalten 121 Rt Sl 2 1 16 4 a E a ae un PA 1 11 43 45 47 Druck kPa Abb 8 9 Ausgangssignale eines Drucksensors mit einer 28 um dicken PVDF Folie bei 20 bei 240 Druckmessungen Die Experime
112. er des Instituts f r fluidtechnische Antriebe und Steuerungen an der Rheinisch Westf lischen Techni schen Hochschule Aachen f r die Freundlichkeit das Korreferat zu bernehmen und f r die Bereitstellung der experimentellen und fertigungstechnischen M glichkeiten seines Instituts Meine besondere Danksagung geht an Herrn Thomas Janhsens f r die Hilfe bei der Herstellung von mechanischen und elektronischen Komponenten von Drucksensoren und Messst nden und f r seine Bereitschaft zu fachlichen Diskussionen Meine besondere Danksagung gilt auch Herrn Klaus Breuer dem Leiter der Werk statt im Institut f r Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen seinen Mitarbeitern und Herrn Hans Joachim Schwob Leiter der mechanischen Werkstatt im Institut f r Regelungstechnik f r die Herstellung mechanischer Komponenten von Druck sensoren Messst nden und Fertigungseinrichtungen Weiterhin m chte ich mich bei Herrn Horst Wingens Leiter der Versuchshalle im Institut f r Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen f r die Hilfe bei der Benutzung des Klimaschranks und f r die Hilfe bei der Messung des Sensorberstdrucks bedanken An die gute Zusammenarbeit mit meinen Diplomanden Studienarbeitern und Gast wissenschaftlern Jun Dong Dr Tong Guo Torben Howe Xiaowei Jin Wassja Kopp Rui Liu Wei Wei Nan Yang und Dan Zhang werde ich immer gerne zur ckdenken Bei den jetzigen und ehemaligen Arbeitsgruppenmitgliedern Dr Yue Cheng Christoff
113. ergangstemperatur werden die Polymerketten steif und unbeweglich weil die amorphe Phase des PVDF fest wird Deshalb wird das Polymer zerbrechlich und spr de Die Schmelztemperatur f r PVDF liegt bei etwa 180 C Bei der berschreitung der Schmelztemperatur verschwindet die Kristallinit t im Polymer weil die Kristallphase schmilzt Das Polymer wird dann amorph Viele praktische Anwendungen von Poly meren liegen im Temperaturbereich zwischen der Glas bergangs und Schmelztem peratur F r einen Druckw chter mit PVDF Sensorfolie bedeutet dies dass er nicht unter 42 C verwendet werden darf weil die Sensorfolie bei niedrigeren Temperaturen bei einem relativ niedrigen Druck zerbrochen werden kann Die maximale Arbeitstempe ratur des Druckw chters h ngt vom Herstellungsverfahren der PVDF und Copoly mer Folien ab Die maximale Arbeitstemperatur der Sensorfolien liegt normalerweise im Bereich von 80 C bis 160 C Die piezoelektrischen Folien von AIRMAR Technology Corp haben unter Raumbe dingungen Aufbewahrung in einem Lager eine Langzeitstabilit t von 7 Jahren l n gere Untersuchungen wurden nicht durchgef hrt AIRM99 Eine Lagerung der PVDF Folien von AIRMAR Technology Corp f r 19 Monate bei 90 C l ngere Untersuchungen wurden nicht durchgef hrt verursacht keine Anderung in den piezo elektrischen Eigenschaften Auch die wiederholte Erw rmung auf 90 C 10 Zyklen mit 2 Stunden Dauer verursacht keine Ver nderung in
114. eristik der Referenzdrucksensoren wird nur minimal von Hystereseeffekten Nichtlinearit ten 0 25 FSO Nullpunkt und Spannungs nderungen maximal 1 FSO beeinflusst Diese nicht idealen Charak teristiken der Referenzdrucksensoren sind klein gegen ber den gemessenen Auswir kungen der Umwelteinfl sse auf den PVDF Sensor vgl Kapitel 8 Das Ausgangs signal der Drucksensoren von maximal 153 mV ist abh ngig von ihrer Versorgungs spannung die bis zu 15 V betragen kann Dies macht eine Kalibrierung der Senso ren notwendig Das Kalibrierverfahren wird in Kapitel 5 1 5 beschrieben Die Kalibrierung der Referenzdrucksensoren S2 und S4 erfolgt ber den Pr zisions drucksensor S1 Sens04b welcher eine Gesamtprazision von 0 5 FSO und eine hohe Unabh ngigkeit gegen ber Druck und Temperatureinfl ssen aufweist Die Gesamtpr zision beinhaltet kombinierte Einfl sse auf Nullpunkt Spannungs nde rungen Nichtlinearit ten und Hystereseverhalten infolge von Anderungen der Umge bungsbedingungen Das Ausgangssignal variiert innerhalb eines Jahres um ebenfalls maximal um 0 5 FSO Langzeitstabilit t Mit einem digitalen Ausgangssignal von 12 bit Aufl sung ber dem Betriebsdruckbereich von 103 kPa 15 psi Differential druck weist der Sensor eine hohe theoretische Aufl sung von 25 Pa auf ist mit einer langsamen Reaktionszeit von 8 ms aber nicht als Referenzdrucksensor geeignet Das Schnellschaltventil V4 vom Typ MHE3 MS1H 3 2G QS 6 K Fe
115. estellt Schuster hat die Alterung und Ausfallrate von hydraulischen Ventilen unter Feld bedingungen untersucht Schu04 Schu06 Er hat festgestellt dass die Ausfallrate und die erwartete Lebensdauer von hydraulischen Schaltventilen sehr stark von den Betriebsbedingungen abh ngen Seinen Untersuchungen zufolge betr gt die Ausfall wahrscheinlichkeit in einem Jahr f r hydraulische Schaltventile ca 0 4 bis ca 14 Wenn die Betriebsbedingungen des Herstellers eingehalten sind kann die Ausfall wahrscheinlichkeit geringer als 0 4 im Jahr sein Wenn die Betriebsbedingungen des Ventilherstellers nicht eingehalten werden z B Olfilter wird nicht gewechselt Hydraulik l wird zu selten gewechselt Ventilbenutzung bei hoher ltemperatur usw kann die Ausfallwahrscheinlichkeit von Schaltventilen sehr hoch sein Schuster hat Felddaten von unterschiedlichen Ventilanwendern untersucht Schu04 Schu06 Z B sind bei einem Anwender von 8050 Schaltventilen ca 45 Ventile im Jahr ausgefallen Der Untersuchungszeitraum f r diesen Anwender betrug ca 3 Jahre Bei dem anderen Anwender sind von ca 25000 Ventilen in unterschiedlichen Jahren von 83 bis 128 Ventilen ausgefallen Der Untersuchungszeitraum f r den zweiten Anwender betrug 4 Jahre Die Ausfallrate von pneumatischen Ventilen ist vergleichbar mit der Ausfallrate von hydraulischen Ventilen Die oben dargestellten Untersuchungen zeigen dass es in Betrieben mit mehreren tausenden Ventilen jed
116. g 3 Stand der Forschung 3 1 Stand der Forschung bei Druckw chtern Ein Druckschalter ist ein Druckaufnehmer der bei Erreichen eines bestimmten Druckes einer Druckschwelle elektrische Kontakte ffnet oder schlie t oder am Ausgang ein elektrisches Signal generiert und so Steuerfunktionen aus bt Ein Druckw chter ist ein Druckschalter der als Uberwachungsgerat eingesetzt ist Somit werden die Begriffe Druckschalter und Druckw chter als Synonyme verwandt Druckschalter k nnen eine Bowe94 Groo01 Hoda90 Huff92 Maki90 Mlyn80 Oliv62 Peac74 Voss05 oder mehrere Baad89 Bred95 Drec03 Kreu89 Druck schwellen haben und entsprechend unterschiedliche elektrische Kontakte bet tigen bzw unterschiedliche digitale oder analoge Ausgangssignale generieren Die Druck schwellen k nnen fest oder einstellbar sein Druckschalter k nnen Absolutdruck Baad89 Bowe94 Bred95 Huff92 Kreu89 Mlyn80 Maki90 Oliv62 Peac74 Voss05 oder dynamische Druck nderungen Kuni05 messen Bez glich ihres Auf baus k nnen Druckschalter in elektromechanische Druckschalter Baad89 Bowe94 Bred95 Groo01 Hoda90 Huff92 Kreu89 Maki90 Mlyn80 Oliv62 Peac74 Voss05 und elektronische Druckschalter solid state pressure switch Drec03 Kuni05 Kurt03 Kurt05 Mill03 Miya04 Wagn00 unterteilt werden Die meisten Druckschalter sind elektromechanische Ger te Allerdings haben elek tromechanische Druckschalter die folgenden Nachteile Sie sind nicht se
117. g 7 1 dargestellten Druckw chter mit einer Schaltschwelle von 100 kPa in dem Zeitintervall in welchen die Druckmessung statt findet hier 100 ms die Temperatur nderung AT nicht mehr als 0 87 C betragen darf Alle gr eren Temperatur nderungen m ssen kompensiert werden Das bedeutet dass f r einen in Abbildung 7 1 dargestellten PVDF Druckw chter mit einer Druckschwelle von 100 kPa die Messgenauigkeit des Temperatursensors nicht mehr als 0 4 C betragen darf Temperaturkompensation ist nur dann notwendig wenn der Temperaturunterschied zwischen der Luft und den Druckw chter mehr als 87 C betr gt F r gr ere Schaltschwellen darf die Messgenauigkeit mehr als 0 4 C betragen F r den in Abbildung 7 2 dargestellten Druckw chter mit einer Druckschwelle von 100 kPa darf die Messgenauigkeit des Temperatursensors nicht mehr als ca 5 10 C betragen siehe Kapitel 7 4 2 Eine solche Messgenauigkeit kann mit her k mmlichen kosteng nstigen Temperatursensoren nicht realisiert werden Deshalb m sste die minimale Druckschwelle auf 10 MPa gesetzt werden Eine Temperatur 75 kompensation erscheint hier aussichtslos weil sich so geringe Temperaturunter schiede leicht zwischen der druckmessenden Folie und dem Temperatursensor ein stellen k nnen 7 5 2 Temperatursensor aus PVDF Folie PVDF Folie kann nicht nur als Drucksensor sondern auch als Temperatursensor ein gesetzt werden Eine PVDF Folie kann sowohl statische Temperat
118. g beinhaltet nichtlineare Effekte die von der Wechselwirkung zwischen Kriechen und Schadens entwicklung abh ngen In Abb 4 15 ist die normalisierte Vibro Kriech Reaktion von PVDF bei unterschied lichen statischen und zyklischen Komponenten der mechanischen Spannungen und bei unterschiedlichen Frequenzen und Temperaturen dargestellt Die Spannung f r Kurve 1 in Abb 4 15 ndert sich entsprechend folgender Gleichung o r 0 45 0 0 20 0 sin or 4 11 Hier ist o die Streckfestigkeit Die Untersuchungen zeigen dass die Steigerung des Mittelwerts der Spannung die Kriechensrate erheblich beschleunigt Die Kriechensrate beschleunigt sich wenn 27 sich die Vibrationsamplitude vergr ert Experimente haben gezeigt dass sich die zyklische Kriechrate bei kleinen Temperaturen verringert Als Beispiel zeigt Abbil dung 4 15 eine sehr geringe zyklische Kriechensrate bei 25 C Vino01 7 ee 6 gt 4 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0070 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 gro l Abb 4 15 Normalisierte Vibrokriech Reaktion von PVDF bei unterschiedlichen Amplituden der mechanischen Spannungen und unterschiedlichen Temperaturen Zyklisch 0 45 0 20 o bei 10 Hz und 25 amp 1 0 45 0 20 o bei 10 Hz und 23 CT 2 0 45 0 40 o bei 10 Hz und 25 3 0 45 0 40 o bei 10 Hz und 23 4 Statisch 0 450 bei 25 5 0 450 bei 23 6 Vino01 In Vino03 wurde die Schadungsentwicklung in PVDF f r die folgenden
119. g der Elektroden der PVDF Folie mit der elektronischen Schaltung kann mit Metalldr hten realisiert werden Die Metalldr hte sollen gute che mische Best ndigkeit haben weil die PVDF Drucksensoren laut Lastenheft in S uren Laugen und L sungsmitteln funktionieren sollen Der Durchmesser der Metalldr hte muss kleiner sein als die Dicke der metallbeschichteten PVDF Folie weil die Metalldr hte w hrend der Herstellung mit der PVDF Folie zusammenge presst und erhitzt werden Ein zu dicker Draht w rde w hrend der Herstellung die PVDF Folie besch digen z B stark deformieren oder ein Loch in der Folie verur sachen Solche Besch digungen k nnen zur nderung der Eigenschaften der Druck sensoren oder zur der Erzeugung von Defekten f hren Es muss dabei ber cksichtigt werden dass der Metalldraht eine ausreichende Rei last hat und alle mechanischen Beanspruchungen w hrend der Sensorherstellung berstehen kann Die minimale Dicke des Metalldrahts ist durch seine ReiBlast begrenzt 17 5 um dicke Bonddr hte vom Typ HA3 mit 2 0 5 0 Dehnung und mehr als 0 05 N ReiBlast von der W C Heraeus GmbH wurden f r die Verbindung der PVDF Folie mit der elektronischen Schaltung verwendet Hera06 Diese Bonddr hte be stehen aus mehr als 99 99 Gold und weisen eine sehr gute chemische Best ndig keit auf Auch 120 um dicke Silberdr hte erwiesen sich als geeignet wenn sie vorher flach gewalzt wurden Die Dicke der Silberdr hte betrug nach d
120. gen 7 39 und 7 43 bekommt man die Differentialglei chung f r den Ladungsaufbau 65 d 0 7 44 de RC Gi Aus Gleichung 7 44 folgt dQ 1 TX oy fe 7 45 aot Ree 7 45 Gleichung 7 45 gilt f r die Zeitperiode von 0 bis to F r Gleichung 7 45 gilt Q 0 0 F r die Zeitperiode von 7 bis infinitum gilt folgende Differentialgleichung dQ _ 2 oder 7 46 dT RC d 1 o 7 47 dt RC F r Gleichung 7 47 gilt Q 0 Qist max Aus Gleichungen 7 45 und 7 47 folgt dass der Verlauf der elektrischen Ladung auf der PVDF Folie mit folgender Gleichung beschreiben werden kann CTE k firt 0 7 dt RC 7 48 dQ 1 7 48 PT f r T To Diese Differentialgleichung hat folgende L sung O k Rch e RC f rt 0 t t 19 RC 7 49 O Qinmae 9 f rT T Die elektrische Spannung auf der PVDF Folie ist proportional zur erzeugten Ladung pee C Der Verlauf von elektrischer Ladung und elektrischer Spannung auf der PVDF Folie mit der Zeit wie beschrieben durch die Gleichungen 7 42 und 7 49 ist in Abbildung 7 5 dargestellt In der Zeit von 0 bis 7 steigt der Luftdruck auf die PVDF Folie und damit steigt die Ausgangsladung der PVDF Folie In der Zeit von 7 bis infinitum sin ken elektrische Ladung und elektrische Spannung weil keine neue Ladung erzeugt wird und die vorhandene Ladung ber den Widerstand R abflie t Der Messfehler kann mit folgender Gleichung berechnet werden AQ k t Rcli e Re 7 50 au 42 6 Reli e
121. gkeit Alterung bei konstanten und wechselnden Druckbelastungen che mische Resistenz gegen ber starken S uren und L sungsmitteln Die Vor und Nachteile der PVDF Drucksensoren werden dargestellt und diskutiert Ein Demonstrator f r die berwachung von pneumatischen Ventilen wurde aufge baut Es wurde nachgewiesen dass pneumatische Ventile mit Hilfe der Drucksenso ren aus PVDF zuverl ssig berwacht werden k nnen Ferner k nnen Drucksensoren aus PVDF in einer Reihe weiterer Anwendungen verwendet werden in denen ein geringer Preis hohe Lebensdauer gute Resistenz gegen Chemikalien schnelle Ansprechzeit ein breiter Temperatur und Feuchtig keitsbereich und kleine Abmessungen und Gewicht gefordert sind Abstract Within this work novel pressure sensors for the control of pneumatic and hydraulic valves were developed Valve control is achieved by detecting whether the pressure drop over the valve changes after a signal for valve switching has been sent This is achieved by detecting whether the pressure falls below or exceeds a specified threshold Besides this the price of the pressure sensor needs to be much less than the price of the valve Different concepts were considered to design a low cost pressure sensor Comparison of these concepts resulted in the conclusion that the best solution would be to design a pressure sensor from the polymer Polyvinylidenefluoride PVDF In this concept the sensor element of the pressure sensor
122. gkeit mit zunehmender Vorspannung abnimmt Bei Raumtemperatur ist der Effekt relativ gering bei 30MPa Vorspannung hat die Nachgiebigkeit um 5 abgenommen Bei h heren Temperaturen wird die Einfluss deutlich gr er bei T 370 K betr gt die Abnahme bei der gleichen Vorspannung bereits 30 Sencadas et al hat den Speichermodul E und den Verlustfaktor tan von 28 um dicker PVDF Folie von Measurement Specialities Inc bei einer Frequenz von 1 Hz und einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 C min im Temperaturbereich von 50 C bis 121 C gemessen Senc03 Der Elastizit tsmodul kann aus dem Speichermodul und dem Verlustfaktor mit folgender Gleichung berechnet werden B 9m dr _ Im SIO _ er ong E EP AEF Eirne 4 8 m0 Emo E 15107 nt x i REN 2 ate Sl 49 Aaaa 0 eenpauenuB tuagtsy 0 0 1 20 MPa 30 0 10 20 MPa 30 07 o m Abb 4 11 Vorspannungsabh ngigkeit der elastischen Konstanten S1 und S22 bei verschiedenen Temperaturen nach Schu91 Es wurden die mechanischen Eigenschaften von polarisierten und nicht polarisierten PVDF Folien in zwei Richtungen gemessen parallel zur Extrusionsrichtung der PVDF Folie 1 Richtung und senkrecht dazu 2 Richtung Die Abh ngigkeit des Speichermoduls FE und Verlustfaktors tan von der Temperatur f r PVDF Folien ist in den Abbildungen 4 12 dargestellt Senc03 Wie sich zeigt ist E in L ngsrichtung gro er als in die Querrichtung Das liegt daran dass die Ausrichtu
123. gst others characteristic curve linearity hysteresis repeatability resolution cracking pressure working pressure range working temperature and humidity ranges temperature and humidity dependence aging at constant and cycling pressure loads chemical resistance to strong acids and solvents Advantages and disadvantages of the pressure sensor are presented and discussed Pressure sensors from PVDF can be used not only for valve control but also in a number of other applications where low price long service life good resistance to chemicals fast response time broad working temperature and humidity ranges small size and weight are required Inhaltsverzeichnis 2 1 2 2 3 1 3 2 3 3 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 5 1 5 2 5 3 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 Formelzeichen i Einleitung o Prinzipien der Ventil berwachung mit Hilfe von Druckw chtern 5 Alterung und Ausfall von Ventilen 3 Anordnung von Druckw chtern zur Zustands berwachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen 5 Stand der Forschung 7 Stand der Forschung bei Druckw chtern Analyse unterschiedlicher Konzepte f r Druckw chter Stand der Forschung bei Drucksensoren aus PVDF Folien 9 Eigenschaften von PVDF Folien 13 Piezo und pyroelektrische Eigenschaften von PVDF Folien 13 Thermische Stabilit t von PVDF Folien 15 Temperatur Druck und Frequenzabh ngigkeit von PVDF Folien 17 Diffusion von Medien durch PVDF Folien 23 Kriechen und Alterung von PVDF Fol
124. h ngigkeit der Kennlinien von der Luftfeuchtigkeit wurden bei 65 C im Klimaschrank durchgef hrt da mit steigender Lufttemperatur die Wasser dampfaufnahmefahigkeit der Luft zunimmt Die Temperaturkonstanz der Membran wurde ber den Temperatursensor des Klimaschrankes sichergestellt Bedingt durch den beschr nkten Arbeitsbereich des Klimaschranks SB1 160 40 wurden Messun gen bei 75 48 und 20 Luftfeuchtigkeit durchgef hrt Um Unsicherheiten bez glich der Zeit in der sich ein station rer Flie prozess des in der Luft enthaltenen Wasserdampfs durch die metallbeschichtete PVDF Sensormem bran einstellt auszuschlie en wurde das Verhalten der Kennlinie bei jeder Luft feuchtigkeit ber einen Zeitraum von jeweils 20 Stunden beobachtet Dabei wurden pro Stunde zwei Kennlinien aufgenommen Das Druckregelventil wird in 5 kPa Intervallen mit einem Maximaldruck von 100 kPa und einer Stufendauer von 10 s angesteuert Es wird nur ein Druckaufbau durchge f hrt Diese Ma nahmen dienen dazu die Messdauer von 3 5 min im Vergleich zum Beobachtungsintervall von 1 h klein zu halten Vor Beginn des Experimentes wurde verifiziert dass die Kennlinie keine Hysterese aufweist Pro Druckstufe wurde eine Druckbelastung durchgef hrt Die Messpunkte wurden mit einem Polynom 3 Grades approximiert die aus den Messwerten mittels SVD Interpolationsalgorithmus gewon nen wurden LabvO6 Verglichen mit dem Einfluss der Lufttemperatur bt die Luftfeuchtig
125. h dem Tempern und bleiben danach konstant Dargaville et al hat festgestellt dass PVDF bis ca 160 C piezoelektrisch bleibt Darg05a 17 196 200 Temperature Stability 204 Voltage Sensitivity dB re 1V uPa Q 20 60 100 140 Storage Temperature C Abb 4 3 Die Temperaturstabilit t von piezoelektrischen Folien der Firma AIRMAR Technology Corporation AIRM99 4 2 2 Schrumpfen von PVDF Folien nach dem Tempern Der Einfluss erh hter Temperaturen auf Abmessungen und Fl che von PVDF Folien wurde in Darg05a Senc03 Senc04a untersucht Es wurde eine ca 15 ige Verringerung der Folienfl che nach dem Tempern von PVDF Folien bei 150 C fest gestellt Der Grund f r das Schrumpfen von PVDF Folien bei erh hten Temperaturen ist die Erh hung der Mobilit t von Molekularketten was zur Freisetzung von internen mechanischen Spannungen in w hrend des Herstellungsprozess stark gereckten PVDF Folien f hrt Das Schrumpfen von PVDF Folien w hrend des Betriebs von PVDF Druckw chtern muss vermieden werden Deshalb m ssen die PVDF Folien schon vor dem Einbau in den Druckw chter bei der maximalen Arbeitstemperatur getempert werden Wenn das Sensorgeh use auch aus PVDF hergestellt wird muss es auch bei der maximalen Arbeitstemperatur getempert werden Dies ist notwendig damit sich der mechanische Spannungszustand der Folie w hrend des Betriebs nicht ver ndert und so zu einem unerw nschten elektrischen Ausgangssignal f h
126. he durch die Druckbelas tung generiert wurden Das verursacht einen gro en Messfehler wenn sich langsam ndernde Dr cke gemessen werden sollen Wenn der Messfehler unter 10 liegen soll darf das Ausgangssignal des Drucksen sors w hrend der Druck nderung nicht unter 90 seiner Anfangsspannung absin ken Die Messungen haben gezeigt dass der Messfehler bei 70 C weniger als 10 betr gt wenn der Druck sich in weniger als 4 5 s ndert Bei 90 C darf diese Zeit nur weniger als 0 65 s betragen Bei h heren Temperaturen sinkt diese Zeit weiter Wenn eine Druckmessung ber eine l ngere Zeit durchgef hrt werden soll kann eine gr ere Kapazit t parallel zur PVDF Folie angeschlossen werden Wenn z B statt Co 3 3 nF ein Kapazit t mit 33 nF verwendet wird steigt die Messzeit mit 107 weniger als 10 Fehler bei 90 C auf 6 5 s Die Ausgangsspannung wird dabei aller dings 10 mal kleiner als mit 3 3 nF Kapazit t Die Abh ngigkeit der maximalen Messzeit vom Widerstand der PVDF Folie wurde in Kapitel 7 2 6 berechnet Spannung V 60 80 100 Zeit s Abb 8 24 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa bei Temperaturen von 30 bis 90 TC Die Absenkung des elektrischen Widerstands von PVDF Drucksensoren mit steigen der Temperatur f hrt zur Begrenzung der maximalen Arbeitstemperatur f r quasi statische Druckmessungen Aus Abb 8 24 kann der elektris
127. hen Folie zu messen Chiu06 Mit steigender Druckbe lastung und mechanischer Spannung wird die Folie d nner und die Schallgeschwin digkeit in der Folie nimmt ab sodass die Frequenz der Dickenschwingungen ein Ma f r die Druckbelastung der Membran ist Drucksensoren k nnen nicht nur aus PVDF sondern auch aus anderen piezoelektri schen Polymeren hergestellt werden z B aus Nylon Polyvinylidenchlorid PVC PVAc P VDCN VAc Polyacrylnitril PAN PPEN Nitril substituiertes Polyimid B CN APB ODPA aliphatisches Polyurethan Liquid crystalline Polymer LCP Poly harnstoffe Polyureas Biopolymere usw Drucksensoren aus anderen Polymeren k nnen m glicherweise geringere Temperaturabh ngigkeiten gr ere maximale Arbeitstemperaturen oder andere Vorteile gegen ber PVDF aufweisen Z B besitzen Polyharnstoffe piezoelektrische Eigenschaften bis 200 C Drucksensoren k nnen nicht nur aus piezoelektrischen sondern auch aus piezo resistiven Polymeren z B aus Poly 3 4 Ethylendioxythiophen PEDT hergestellt werden Piezoresistive Membranen w rden wie piezoelektrische Membranen auch ein temperaturabh ngiges Signal liefern das entsprechend kompensiert werden m sste Allerdings k nnten solche Membranen unter Umst nden ber einen gr e ren Temperaturbereich eingesetzt werden und statische Dr cke messen Durch entsprechende Zus tze wie z B Ru oder Nickelteilchen leitf hig gemachte Polymere k nnten ihren elektrischen Wider
128. hnically pure 23 Dioxane 23 Emulsifiers Concentrated 100 Esters 60 Esters 100 Ethanol 96 Vol lt 100 7 days Ether 100 Ethyl acetate Technically pure 23 7 days Ethyl acetate Technically pure 50 Ethyl benzene 50 Ethyl chloride 50 Ethylene glycol lt 150 7 days 136 Ethylene oxide 50 Fatty acids gt C6 100 Ferric chloride 100 Ferrous sulphate 100 Flourine wet 20 z Fluorinated refrigerants 100 Fluorine dry 20 Fluorosilic acid 100 Formaldehyde 37 lt 50 7 days Formic acid 98 lt 75 7 days Freon F 12 100 lt 100 7 days Fruit juices Technically pure lt 100 7 days Gelatine lt 100 Glycerin lt 125 7 days Glycerin lt 150 9 Glycol ethylene 100 Glycolic acid 100 Glycols 100 Heptane lt 150 7 days Hexamine 20 Hexamine 60 Hexane 50 Hydrazine 20 Hydrazine 60 Hydrobromic acid 50 100 Hydrochloric acid 37 lt 150 7 days Hydrochloric acid concentrated 100 Hydrocyanic acid 100 Hydrofluoric acid 40 lt 100 7 days Hydrofluoric acid 70 lt 75 7 days Hydrofluoric acid 100 lt 50 7 days Hydrogen peroxide 50 lt 100 7 days Hydrogen peroxide 30 90 lt 100 Hydrogen sulphide lt 100 7 days Hypochlorites 100 Hypochlorites Na 12 14 100 lodine tincture 50 137
129. hr zuver l ssig Kurt05 Die Analyse von auf den Markt erh ltlichen Druckschaltern zeigt dass die Lebensdauer von elektromechanischen Druckschaltern relativ gering ist und im Durchschnitt 1 5 Millionen Schaltzyklen betr gt Ein weiterer Nachteil ist dass sie im Langzeitbetrieb teuer sind Kurt03 Elektromechanische Druckschalter sind relativ kosteng nstig aber wegen ihrer hohen Fehlerrate m ssen sie relativ oft aus getauscht werden was gro e Arbeitskosten verursacht Zu den weiteren Nachteilen geh rt ihre geringe Genauigkeit der Druckschwelle ein nur kleiner einstellbarer Druckmessbereich schlechte Werte f r Hysterese schlechte Temperatur und Lang zeitstabilit t Aus diesen Gr nden werden elektromechanische Druckschalter fter durch elektronische Druckschalter ersetzt Kurt03 Kurt05 Zu den Nachteilen von elektronischen Druckw chtern geh ren ihr hoher Preis normalerweise ber 200 Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Strahlung und elektrische und magnetische Felder Gems04 VDCO1 Deshalb sollte im Rahmen dieser Arbeit ein neuer sehr kosteng nstiger elektroni scher Druckw chter f r die berwachung von Ventilen entwickelt werden Die techni schen Parameter dieses Druckw chters sind im Lastenheft dargestellt 3 2 Analyse unterschiedlicher Konzepte f r Druckw chter Die Analyse von auf dem Markt erh ltlichen Drucksensoren und Druckw chtern zeigt dass zurzeit kein Drucksensor oder Druckw chter angeb
130. ie PVDF Folie zu erreichen Aus diesem Grund wird die Temperaturaus gleichszeit der PVDF Folie im Druckw chter gr er sein als oben berechnet Diese Temperaturausgleichszeit h ngt von der Konstruktion des Druckw chters und von der L nge der Leitungen welche den Druckw chter mit der pneumatischen Schal tung verbinden ab Die Temperaturausgleichzeit wird auch wegen der Metall beschichtung der PVDF Folie gr er sein als berechnet 7 4 Genauigkeit der Schaltschwelle Externe und interne St rfaktoren beeinflussen die Genauigkeit der Schaltschwelle des Druckw chters Dazu geh ren u a die Messgenauigkeit das Rauschen elektro nischer Schaltungen Anderung in den Umgebungs und Mediumstemperaturen Alte rung und Kriechen der PVDF Folie Einfluss infraroter Strahlung Vibrationen und Beschleunigungen Die theoretische Untersuchung von Kriechen und Alterung der PVDF Folie h tte den Rahmen der vorliegenden Arbeit gesprengt Der Einfluss von Kriechen und Alterung auf das Ausgangssignal wurde in Kapiteln 8 4 1 und 8 5 experimentell untersucht Der relative Messfehler y l sst sich mit der folgenden Gleichung berechnen x 100 un 100 7 73 0 7 4 1 Einfluss des elektronischen Rauschens des Messverst rkers Das Rauschen das durch die elektronische Schaltung des Druckw chters verursacht wird f hrt zu einem absoluten Messfehler des Drucks des in Abbildung 7 1 darge stellten Druckw chters Gl 7 21 AP nin as Orin 2 A E
131. iechen der PVDF Folien und anderen Einfl ssen ab wie z B dem Ein fluss von Chemikalien k F A 43 T AP 7 17 k F Ay Ay T AP 7 18 Die Querempfindlichkeit von Dielektrizitatszahl Elastizitatsmodul und piezoelektri schen Konstanten der PVDF Folien gegen ber Temperatur und mechanischer Belastung ist in Kapitel 4 dargestellt Die Temperatur und Druckabhangigkeit all dieser Parameter wird mit komplexen Gleichungen beschrieben Deshalb es ist schwierig die Abh ngigkeit der Ausgangsspannung eines Drucksensors von Temperatur und Druck als eine Gleichung darzustellen Um die Berechnung der Kennlinie eines PVDF Drucksensors zu vereinfachen wird diese Berechnung mit Hilfe des Programms Excel von Microsoft realisiert Es werden dazu die folgenden Konstanten und Gleichungen verwendet Co 3 3 nF Riio 2 10 m to 28 10 m v 0 18 t t 1 AT Ra Ryo l AT 59 A A 1 2 AT A Ayy 1 2 AT A Ago 1 2 AT Die Dielektrizit tskonstante ndert sich entsprechend dem Realteil der Dielektrizi tatskonstante in Abbildung 4 10 Der Elastizit tsmodul E ndert sich entsprechend den Speichermodulen f r die Zugdeformation in 1 und 2 Richtung in Abbildung 4 12 Die piezoelektrischen Module ds d32 und d33 ndern sich wie es in Abbildung 4 4 dargestellt ist Die Abh ngigkeit der piezoelektrischen Koeffizienten von der mechanischen Span nung wird zun chst nicht ber cksichtigt
132. ien 24 Messaufbauten f r den Test von Druckw chtern 29 Pr fstand zum Testen des PVDF Druckw chters 29 Dauerteststand f r dynamische Druckbelastungen 38 Dauerteststand f r statische Druckbelastungen 40 Verfahrensentwicklung zur Fertigung der Drucksensoren 41 Komponenten eines PVDF Drucksensors 41 Tempern von PVDF Folien und Geh usen 44 Stanzen von PVDF Folien 45 Thermoschwei en des Geh uses f r PVDF Druckw chter 46 Kleben des Geh uses f r PVDF Druckw chter 52 7 7 1 7 2 1 3 7 4 7 5 7 6 8 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 8 8 9 9 10 11 Layout und Design von Drucksensoren 53 Aufbau eines Druckw chters aus PVDF Folien 53 Berechnung eines Druckw chters aus PVDF Folien 55 W rmeleitf higkeit der PVDF Membran 68 Genauigkeit der Schaltschwelle 70 PVDF Folie f r die Temperaturkompensation 73 Elektronische Messschaltung f r die Druckw chter 76 Test der Drucksensoren 79 Ermittlung der Kennlinie des PVDF Drucksensors 79 Leistungsdaten von PVDF Drucksensoren 83 Chemische Best ndigkeit 100 Messung quasistatischer Druck nderungen 103 Alterung 109 Vergleich von Messergebnissen mit theoretisch berechneten Kennlinien 112 Drucksensoren mit 515 um dicker PVDF Folie 113 Zustand berwachung von pneumatischen Ventilen mit Hilfe von Druckw chtern 114 Zusammenfassung 115 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literaturverzeichnis 121 Anhang 129 Formelzeichen A As A30 An Ano An min a qj Aj max ar
133. ien und der Einfluss von St rgr en ungef hr vorausberechnen lassen Da die anisotropen Eigenschaften der PVDF Folien nur angen hert ber ck sichtigt werden k nnen erreichen diese Gleichungen nur eine beschr nkte Genauig keit geben aber den Trend des Einflusses der untersuchten Parameter auf das Sen sorverhalten richtig wieder PVDF Drucksensoren zeichnen sich dadurch aus dass sie sowohl sehr schnelle als auch langsame Druck nderungen messen k nnen Die Messungen zeigen dass An sprechzeiten von weniger als 0 1 ms m glich sind Literaturangaben lassen sogar nur wenige Nanosekunden m glich erscheinen Die langsamsten Druck nderungen die gemessen werden k nnen sind temperaturabh ngig und k nnen bei Raumtempera tur mehrere Minuten betragen In den Drucksensoren wird die piezoelektrische PVDF Folie durch eine Druckbelastung gedehnt Durch diese Dehnung werden elek trische Ladungen auf der Oberfl che der PVDF Folie aufgebaut Die elektrische Ladung und die entsprechende elektrische Spannung sind proportional zum angeleg ten Druck und werden mit einer geeigneten elektronischen Schaltung gemessen Mehrere PVDF Drucksensoren wurden hergestellt und ihre Eigenschaften gemes sen Es wurden unter anderem folgende Sensorparameter ermittelt Kennlinie Linea rit t Hysterese Wiederholbarkeit Aufl sung Berstdruck Arbeitsdruckbereich Tem peratur und Feuchtigkeitsarbeitsbereich Querempfindlichkeit gegen ber Temperatur und Feuchti
134. iert usw Das pneumatische System welches aus Ventil und geschlossenem Rohr besteht hat die Resonanzfrequenz 92 _ C Luft T 8 16 Die Versuche wurden mit einem pneumatischen System durchgef hrt dass aus einem Druckregelventil einem Druckluftspeicher einem Schnellschaltventil einem Druckluftschlauch mit 4 mm Innendurchmesser und zwei am Schlauchende angeschlossenen Drucksensoren besteht Abb 8 11 Einer dieser Sensoren ist ein Referenzdrucksensor 19C100PA7K der Sensortechnics GmbH mit einer im Datenblatt angegebene Ansprechzeit von weniger als 0 1ms f r eine Signal nderung von 10 bis 90 der maximalen Signalamplitude Sens04a Der andere Sensor ist ein PVDF Drucksensor Bei verschiedenen Experimenten wurden die beiden Sensoren entweder jede 0 1 ms oder jede 0 04 ms abgefragt Das entspricht einer Abtastrate von 10 KS s Kilo samples pro Sekunde bzw 25 KS s Die Distanz zwischen dem Ventilschieber des Schnellschaltventils und der Sensor membran von PVDF bzw Referenzdrucksensor betr gt 14 5 0 5 cm Diese Dis tanz konnte nicht genauer bestimmt werden weil Zeichnungen von Ventil und Refe renzdrucksensor nicht zur Verf gung standen Druckregelventil Druckluftspeicher Schlauch CRVZS 2 MHE3 MS1H 3 2G QS 6 K MPPES 3 1 4 10 010 19C100A7K Ventil _v Referenzdrucksensor Abb 8 11 Aufbau eines Systems fur die Untersuchung der Ansprechzeit von PVDF Drucksensor und Resonanzfrequenzen in einem pne
135. il schaltet nicht aus wenn das entsprechende Schaltsignal anliegt der Druckw chter funktioniert nicht Ausgangssignal ist Null der Druck in der Leitung ist zu niedrig Der PVDF Druckw chter wird mit der elektrischen Spannung vom Ventil versorgt Das hei t es kann nur dann funktionieren wenn das Ventil eingeschaltet ist Damit der Druckw chter auch kurz nach dem Ausschalten des Ventils Druck nderungen messen kann wird die elektrische Spannung f r den Druckw chter durch eine Kapa zit t versorgt Die Auswertelektronik der Druckw chter muss auf eine bestimmte Druckschwelle eingestellt werden Wenn die Druck nderung am Druckw chter diese Druckschwelle berschreitet generiert der Druckw chter ein Ausgangssignal Experimente mit dem Demonstrator haben gezeigt dass der PVDF Druckw chter zu verl ssig funktioniert und alle oben dargestellten Fehlzust nde zuverl ssig feststellen kann 115 Benutzereingabe Schalter f r Ventilsteuerung und Elektronische Schaltung f r Elektronische Schaltung f r Fehlersimulation Fehlersimulation Ventilsteuerung Pr zisions Manometer MODH 3 2 2 QS 6 Ventil J LRP 1 4 10 N gt 12 GRO 1 4 BR HEN Fl Ba r lt A Pr zisions n f l Druckregelventil rosselventi PVDF Druckw chter Logische Schaltung LED Anzeige Abb 8 34 Schematische Darstellung des Demonstrators 8 9 Zusammenfassung Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Drucksensor
136. ind wird die Schwei verbindung durch sie weiter verst rkt Die ge samte Breite der Schwei zone zusammen mit dem auslaufenden PVDF kann bis zu 1mm betragen In beiden Abbildungen der Abb 6 12 wird jeweils rechts die Au enseite des Drucksensors und links die Innenseite dargestellt Die Schmelze sammelt sich haupts chlich an der Au enseite der Schwei zone Das liegt daran dass sich der Heizdraht w hrend der Erw rmung ausdehnt und zur Au enseite des Drucksensors bewegt Weil sich wenig Schmelze auf der Innenseite der Schwei zone sammelt wird die PVDF Folie durch die Schmelze nicht besch digt Wenn ein Drucksensor weniger als 8 MPa Berstdruck auszuhalten braucht kann durch Anpassen des Schwei verfahrens eine kleinere Schwei zone gew hlt werden Der Durchmesser des Geh uses des PVDF Druckw chters muss ca 2 mm gr er 52 sein als der Durchmesser der piezoelektrischen Sensorfolie 1 mm f r jede Schwei zone Wenn der Durchmesser der Sensorfolie 2 oder 3 mm betr gt k nnen PVDF Drucksensoren mit einem Durchmesser von 4 mm oder 5 mm hergestellt werden Dies ist eine sehr vorsichtige Absch tzung weil sich die Fl che auf die die Druck differenz wirkt und damit die Kraft bei einem verminderten Foliendurchmesser ebenfalls verkleinert Schwei zone Stellen wo PVDF Heizdraht PVDF Schmelze unvollst ndig verschwei t ist Abb 6 12 Schwei zone im Geh use links und im Geh use mit Heizdraht rechts 6 5 Kleben des
137. ine kosteng nstige Temperaturmessung Der Preis der elektronischen Schaltung sollte kleiner als 1 sein mit Hilfe von PVDF Folien beim gegenw rtigen Stand der elektronischen Technik nicht m glich zu sein Messung von dynamischen Temperatur nderungen Wenn die Temperaturausgleichszeiten der temperaturmessenden und der druck messenden PVDF Folien gleich sind erzeugen beide PVDF Folien zur Temperatur nderung proportionale Spannungen Die Spannung der temperaturmessenden PVDF Folie kann verst rkt und von der Spannung der druckmessenden PVDF Folie subtrahiert werden Unter der Annahme dass das elektronische Rauschen von kosteng nstigen Verst r kern Qmin 0 01 pC betr gt ergibt sich der Temperaturmessfehler einer kreisf rmi gen PVDF Folie mit 2 R 4 mm Durchmesser siehe Gleichung 4 6 Q min Q nin AT pin min 2 7 10 C 7 86 PA zp Ri Ein Temperatursensor mit solch einem Messfehler ist f r die dynamische Temperaturkompensation aller Typen von PVDF Druckw chter ausreichend Zusammenfassend kann folgendes gesagt werden Der in Abbildung 7 1 dargestellte Druckw chter braucht keinen genauen Temperatursensor um im Temperaturbereich 76 von 40 C bis 80 C gem Lastenheft zu funktionieren Wenn der Temperatur unterschied zwischen Fluid und Druckw chter sehr gro ist z B mehr als 87 C f r einen PVDF Druckw chter mit 28 um dicker PVDF Folie 4mm Durchmesser 100 kPa Druckschwelle und 100 ms Druck
138. inie zweier PVDF Drucksensoren mit ihren Ausgleichsgeraden Drucksensor 1 mit D D2 4 mm Drucksensor 2 mit D 3 5 mm und D 4 mm Die Experimente zeigen dass die Vorbehandlung der PVDF Folie bei erh hter Tem peratur und erh htem Druck zu einer besseren Linearisierung der Sensorkennlinie f hrt als die oben beschriebe Optimierung der Konstruktion des Geh uses 8 2 3 Hysterese Die gemessenen Kennlinien von PVDF Drucksensoren haben keine Hysterese weil das Ausgangssignal der PVDF Drucksensoren nach Gleichung 8 2 immer w hrend des Druckanstiegs gemessen wird Das bedeutet dass immer der Wert S2 ge messen wird Um die Hysterese eines PVDF Drucksensors zu bestimmen m ssen die Sensorsignale w hrend des Druckauf 7 und abbaus 72 verglichen werden In Abb 8 7 und 8 8 sind Signale eines PVDF Drucksensors bei 100 kPa Druckbelas tung und 20 C bzw 90 C dargestellt Die Druckbelastungen dauern ca 0 3 s Der Wert der Hysterese h ngt davon ab zu welchem Zeitpunkt das Sensorsignal gemes sen wird Wenn die Spannungs nderungen w hrend des Druckauf und abbaus ge messen werden S und S 2 betr gt die Hysterese f r die Signale in Abb 8 7 und 8 8 Si2 S11 Hc 100 0 2 8 13 1 2 S12 S 1 2 Hoc 100 11 8 14 Die Gr e der Hysterese nimmt mit steigender Temperatur Druck und Dauer der Druckbelastung zu Der physikalische Grund f r die Hysterese sind Kriechen Ande rung von piezoelektr
139. ion 100 Bromine lt 100 7 days Bromine liquid tech 100 Butane 23 7 days Butanol lt 75 7 days Butanol lt 125 7 days Butyl acetate 20 Butyl acetate 60 gt Calcium chloride 100 Calcium hydroxide lt 35 Calcium hypochlorite lt 95 Calcium sulfide 50 Carbon dioxide 100 lt 135 7 days Carbon disulphide 100 23 7 days Carbon tetrachloride Technically pure lt 150 7 days Carbonic acid 100 Caustic soda amp potash 60 Caustic soda amp potash 100 Chlorides of Na K Ba 100 Chlorinated water 50 Chlorine gas lt 100 7 days Chlorine gas lt 125 7 days Chlorine liquid lt 95 7 days Chloroacetic acid 60 Chloroacetic acid 100 Chlorobenzene lt 50 7 days Chlorobenzene lt 75 7 days 9 Chloroform Technically pure lt 50 7 days Chloroform 100 Chlorosulphonic acid 20 Chromic acid lt 40 lt 80 Chromic acid 50 lt 50 Chromic acid 80 100 G Citric acid 50 lt 150 7 days Copper salts most 100 Copper sulphate 50 lt 150 7 days Cresol 50 Cresylic acids 50 100 Cyclohexane lt 150 7 days Cyclohexanol lt 65 Cyclohexanone 23 Decahydronaphthalene Technically pure lt 100 7 days Detergents Ready to use 100 7 days Dibutyl phthalate 20 Dibutyl phthalate 50 S Dichlorobenzene 50 Diethylether 23 7 days Dimethylformamide Tec
140. ionsprinzip des Thermoschwei ens A a Polarisierte PVDF Folie Konstantandraht Loch im unteren Teil des Geh uses Metallbeschichtung auf der PVDF Folie Kreuzungsstelle Abb 6 11 Ansicht von oben auf einen PVDF Druckw chter ohne oberes Geh useteil 50 Zun chst wird auf das untere Geh useteil ein Silber oder Golddraht gelegt Auf den Silber oder Golddraht wird die silbertinten bzw goldbeschichtete PVDF Folie gelegt sodass die untere Folienelektrode und der Draht einen elektrischen Kontakt haben An den Stellen an welchen die PVDF Folie mit dem Geh use verschwei t wird wird die Metallbeschichtung von der Oberfl che der PVDF Folie entfernt um eine bessere Schwei verbindung zu erreichen Danach wird der Heizdraht auf die PVDF Folie gelegt Auf den Heizdraht wird ein Silber bzw Golddraht gelegt sodass die obere Folienelektrode und der Draht einen elektrischen Kontakt haben Danach wird das obere Geh useteil auf den ganzen Aufbau gelegt Alle auf einander gelegten Komponenten ohne das obere Geh useteil sind in Abb 6 11 dargestellt Das unsichtbare Teil der Metallelektrode und die Kante des Loches sind in Abb 6 11 mit einer punktierten Linie dargestellt Die oberen und die unteren Geh useteile werden mit der handbet tigten Presse mit einer Kraft von 50 N bis 100 N zusammengedr ckt Danach wird der Heizdraht mit 3 5 A Strom f r 2 5 s erhitzt Dadurch werden das PVDF Geh use und die PVDF Folie in der N he
141. ischen Konstanten der PVDF Folie mit der Zeit und Abklingen der elektrischen Ladung wegen des Innenwiderstands der PVDF Folie Diese Ph no mene werden in weiteren Kapiteln der vorliegenden Arbeit n her untersucht 87 Wenn f r den Druckaufbau die Spannung S2 Spannungsunterschied zwischen dem maximalem Sensorsignal und dem Sensorsignal kurz bevor das Ventil eingeschaltet hat und f r die Druckabbau die Spannung S22 Spannungsunterschied zwischen maximalem Sensorsignal und dem Sensorsignal lange Zeit nach dem Druckabbau gemessen werden wird die Hysterese vernachl ssigbar gering S 5 ae 8 15 2 2 Die Hysterese eines PVDF Drucksensors h ngt vom Messverfahren ab und kann bei bestimmten Messverfahren vernachl ssigt werden Spannung V Zeit s Abb 8 7 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors bei 100 kPa Druckbelastung und 20 C die Dauer der Druckbelastung betr gt 0 3 s Spannung V Zeit s Abb 8 8 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors bei 100 kPa Druckbelastung und 90 die Dauer der Druckbelastung betr gt 0 3 s 88 8 2 4 Wiederholbarkeit Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Wiederholbarkeit der Kennlinien von zwei PVDF Drucksensoren mit zwei neuen piezoelektrischen PVDF Folien gemes sen eine 28 um dicke PVDF Folie mit Silbertintenbeschichtung und eine 25 um dicke PVDF Folie mit Gold auf Platin Beschichtung Die Wiederholbarkeit der Kennlinie eines Drucksensors wird hi
142. ist auch m glich den elektrischen Spannungsabfall zwischen den Oberfl chen der PVDF Folien zu messen und so deren Dehnung zu bestimmen Wenn ein Druck auf die Folie einwirkt verursacht dies eine Dehnung und die elektrische Spannung ist ein Ma f r den Druck 7 1 1 Differentialdruckw chter Ein einfacher Differentialdruckw chter aus PVDF Folien k nnte deshalb so aufge baut werden wie es in Abb 7 1 schematisch dargestellt ist Eine 28 um dicke silber tintenbeschichtete PVDF Sensorfolie ist an ihrem Rand beidseitig mit einem PVDF Geh use geklemmt verschwei t oder verklebt Der Durchmesser der kreisf rmigen Fl che auf der die PVDF Folie frei h ngt betr gt zwischen 1 bis 5 mm Dieses Loch hat die Fl che A siehe Abbildung 7 1 Die Fl che auf welcher der angelegte Druck wirkt ist im allgemeinen gr er und wird mit Az bezeichnet Die gesamte metallbeschichtete Fl che der PVDF Folie sei As Die Offnung im Geh use ist zwischen 200 und 1000 um tief Die St tzl cher in den Geh useteilen haben einen Durchmesser von 100 bis 200 um Geh use Elektrode or ll set Hm Piezoelektrische PVDF Folie Abb 7 1 Konstruktion eines Differentialdruckw chters I U J Ar Sebi wil N St tzfl che St tzloch Elektrische Kontakte 4
143. ist die PVDF Folie in Reihe mit einen 1 MQ Widerstand angeschlossen Es wurde eine 28 um dicke Silber beschichtete piezo elektrische PVDF Folie mit 39 mm L nge und 7 mm Breite verwendet Die Spannung U 10 V wird an die Widerst nde angelegt und der Spannungsabfall wird ber den 1 MQ Widerstand gemessen Der Widerstand der PVDF Folie kann mit folgender Gleichung berechnet werden Ripe de _ 8 22 a Mit Hilfe der Messschaltung k nnen Widerst nde bis maximal 1 GQ gemessen wer den Der spezifische Widerstand der PVDF Folie kann mit folgender Gleichung be rechnet werden A_10 A U _ t t Pe pypr Rpvor Q m 8 23 a Die Messungen haben gezeigt dass bei hohen Temperaturen der Widerstand der PVDF Folie mit der Zeit sinkt Bei Temperaturen unter 100 C kann dieser Effekt ver nachl ssigt werden Wenn an die PVDF Folie eine konstante Spannung angelegt wird steigt der Widerstand der PVDF Folie bei hohen Temperaturen Bei Temperatu ren unter 100 C ist dieser Effekt sehr gering In Abb 8 26 ist die nderung des Widerstands der PVDF Folie bei 10 V angelegter Spannung und bei 120 C dargestellt Der Widerstand der PVDF Folie steigt nach dem Anlegen von 10 V bei 120 C innerhalb von 24 Stunden von 60 MQ auf 500 MQ Die mit der dargestellten Messschaltung gemessenen Widerstandswerte stimmen mit den im vorherigen Kapitel gemessenen Widerstandswerten berein 90 SG 3 60 ge Cc S Z 304 O 0 T T T
144. k in physikalischen Normzustand Hz m s V m N Pa Pa Pa Pa Pa Pa Pa P ref P ref 0 p3 Q Q3n Qist max Omin Qo so max R R R o Rin Rn Rpvor Rr S SAG Sk Ss SpvpF SPVvoF ist SPVDR soll gret N S lor S loi S Py 1 01325 10 Druckwert vom Referenzdrucksensor Druckwert vom Referenzdrucksensor am Referenzpunkt Pyroelektrischer Koeffizient Elektrische Ladung Elektrische Ladung auf den Oberflachen der Folie verursacht durch die mechanische Spannung in n Richtung n 1 3 Maximaler Istwert der elektrischen Ladung Rauschen des Messverst rkers Messfehler des Messverst rkers Volumenstrom Maximaler Sollwert der elektrischen Ladung Elektrischer Widerstand Radius der PVDF Folie Radius der PVDF Folie bei 0 C Radius der PVDF Folie n 1 2 Elektrischer Widerstand n 0 1 2 Innenwiderstand der PVDF Folie Gaskonstante in technischem Normzustand bei 65 relati ver Luftfeuchtigkeit Rr 288 Signal vom Drucksensor Signal der Ausgleichsgerade Solubilit tskoeffizient Signal des zu kalibrierenden Drucksensors Signal des Pr zisionsdrucksensors Signal vom PVDF Drucksensor Ist Signal vom PVDF Drucksensor Soll Signal vom PVDF Drucksensor Signal der Referenzdrucksensoren Mittelwert des Signals vom Drucksensor Signal nderung von Anfangswert bis Mittelwert bei Druckbeaufschlagung Signal nderung vom Anfangswert bis Maximum bei Druckbeaufschlagung
145. kbelastung Der Druck am Ausgang des Dauerteststands ndert sich mehrmals pro Sekunde zwischen einem konstant eingestellten Druck P und Atmosph rendruck Po Drucksensoren k nnen mit dem Dauerteststand mehrere Millionen Mal mit dem Druck P belastet werden Mit dem Dauerteststand f r statische Druckbelastungen kann man einen konstanten Druck im Bereich von 0 bis 700 kPa einstellen und mit diesem Druck die angeschlos senen Drucksensoren belasten Die Drucksensoren k nnen dabei monatelang mit dem konstanten Druck belastet werden Im Folgenden wird der Aufbau des entwickelten Pr fstands und der Dauertestst nde dargestellt Aufbau Funktionsprinzip und technische Eigenschaften von Pr fstand und Dauertestst nden werden beschrieben 5 1 Pr fstand zum Testen des PVDF Druckw chters 5 1 1 Pneumatisches und hydraulisches Schaltbild Der Pr fstand zum Testen von Drucksensoren ist in Abbildung 5 1 dargestellt Auf bau und Entwurf des Pr fstands sind bereits im Rahmen zweier Studienarbeiten dokumentiert Howe05 Yang05 Die pneumatische Verschaltung des Pr fstands in seiner gegenw rtigen Ausbaustufe welche geringf gig von der in der Studienarbeit dokumentierten Ausf hrung abweicht wird hier kurz vorgestellt Abbildung 5 2 Am Magnetventil V1 befindet sich der Druckluftanschluss des Versuchsstands Das Ventil dient als Ein bzw Ausschaltventil zu Experimentbeginn und ende Das Ventil V1 ist an die Wartungsger tegruppe V2 angeschlosse
146. keit erst nach deutlich l ngeren Versuchzeiten Einfluss auf die Kennlinie aus Die Sensorkennlinien wurden 20 h lang gemessen Sie haben sich in die ersten Stunden ver ndert und in die letzten 6 Stunden nicht mehr Die in Abbildung 8 17 dargestellten Messwerte wur den in den letzten 6 Stunden der jeweilige Messung gewonnen Der untersuchte PVDF Drucksensor weist einen relativen Linearit tsfehler bis ca 6 5 auf Eine deutliche Abh ngigkeit der Linearit tsfehler von der Feuchtigkeit kann nicht beobachtet werden In Abb 8 17 sinkt die Ausgangsspannung des Drucksensors um maximal 7 wenn die Luftfeuchtigkeit von 20 bis 75 steigt Diese Absenkung der Ausgangsspannung liegt innerhalb des vom Lastenheft geforderten Toleranzrahmens von 10 Eine Feuchtigkeitskompensation ist aus diesem Grund nicht erforderlich Das Absinken der Kennlinie mit zunehmender Feuchtigkeit k nnte darauf zur ckzuf hren sein dass die PVDF Folie Feuchtigkeit aufnimmt und sich deshalb die mechanischen und oder piezoelektrischen Eigenschaften mit der Dielektrizit tszahl der PVDF Folie ndern Zudem k nnte dadurch auch der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden der PVDF Folie sinken Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden kann aus zwei Gr nden sinken wegen der Absenkung des elektrischen Widerstands der PVDF Folie und durch einen Wasserfilm der durch ein nicht hermetisch verschlossenes Geh use einen leitf higen Pfad zwischen den Elektroden der
147. knetz mit einem sehr gro en Kolben verbindet f r Ventil berwachung eingesetzt werden kann Der Vorteil eines Druckw chters im Vergleich zu einem Flusssensor liegt im geringeren Kostenaufwand Druckw chter k nnen auch f r die Zustand berwachung von 3 2 Wege Schaltventi len 5 3 Wege Schaltventilen und anderen Ventilen verwendet werden In diesen F llen k nnen die Druckw chter direkt an den Anschl ssen oder zwischen zwei Anschl ssen dieser Ventile montiert werden Es muss aber ber cksichtigt werden dass die Druckschwelle eines Druckw chters f r jede pneumatische Schaltung individuell berechnet und eingestellt werden muss Wenn sich der Druck in der Druckluftversorgung ndert muss die Druckschwelle neu eingestellt werden oder die m glichen Druck nderungen in der Druckluftversorgung m ssen bei der Einstellung oder der Auswahl des Druckw chters von Anfang an ber cksichtigt werden Ein Druckw chter kann auch einen Fehlzustand anzeigen wenn sich der Druck im fluidischen System insgesamt gewollt oder aufgrund einer Fehlfunktion einer anderen Komponente ver ndert obwohl am zu berwachenden Ventil kein Defekt vorliegt Das bedeutet einerseits dass sich der Ort einer Fehlfunktion besser eingrenzen l sst wenn die Schaltschwelle des Druckw chters hoch genug eingestellt ist Ande rerseits kann mit einem Druckw chter nicht nur ein einzelnes Ventil berwacht wer den sondern unter Umst nden eine gesamte pneumatische Schaltun
148. kschwelle ein elektrisches Ausgangssignal liefert oder elektrische Kontakte bet tigt Bisher wird der weite Einsatz solcher Druckw chter f r die Ventil berwachung durch ihren hohen Preis eingeschr nkt Ein Druckw chter darf nur einen Bruchteil des Prei ses des Ventils kosten St nden preiswerte Druckw chter erst einmal zur Verf gung so g be es noch eine ganze Reihe weiterer Anwendungen daf r So k nnte z B festgestellt werden ob Filter oder Staubsaugerbeutel gewechselt werden m ssen oder ob Pumpen noch einwandfrei funktionieren Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte deshalb nach m glichst preiswerten L sungen f r Druckw chter gesucht wer den Die Anforderungen die an einen Druckw chter f r die berwachung von Ventilen gestellt werden m ssen wurden im folgenden Lastenheft zusammengefasst Lastenheft Schaltschwelle w hlbar zwischen 10 kPa und 2 000 kPa Einstellung der Schaltschwelle mechanisch oder elektronisch Genauigkeit der Schaltschwelle 10 im Arbeitstemperaturbereich Berstdruck 5MPa Messzeit lt 0 5 ms Maximale Beschleunigung durch 100 g bei 20 2000 Hz Vibrationen Maximale Beschleunigung durch St e 500 g Versorgungsspannung 5 V 12 V oder 24 V Arbeitstemperaturbereich 40 C bis 80 C Feuchtigkeitsbereich 0 bis 100 RH Lastenheft Fortsetzung Chemisches Verhalten weitgehend chemisch inert gegen ber S uren Laugen und L sungsmi
149. ktronische Rauschen verursachter relativer Messfehler Durch den pyroelektrischen Effekt verursachter relativer Messfehler Druckdifferenz Maximal erlaubte Druckdifferenz Berstdruck Absoluter Messfehler des Druckw chters Partialdruckdifferenz zwischen den beiden Seiten der PVDF Folie Wertebereich des Referenzdrucksensorsignals Ladungsdifferenz Absoluter Messfehler Wertebereich des PVDF Drucksensorsignals Ist Signalspanne des PVDF Drucksensors bei Nenndruck Soll Signalspanne des PVDF Drucksensors bei Nenndruck Temperatur nderung Anzugleichende Temperaturdifferenz zum Zeitpunkt 7 Anzugleichende anf ngliche Temperaturdifferenz nderung der Membrantemperatur Absoluter Messfehler des Temperatursensors nderung der Dicke der PVDF Folie VER A lt lt lt lt lt lt K kg Pa s m Pa s W m K 3 AAAAA lt S lt lt SO AU E E0 E mo ER Er A vV Pe PVDF PFluid PPVDF PTN oO Oo OD Oo m0 On Ov Ox Oy Oy2 To T30 OR Spannungsdifferenz Absoluter Messfehler Phasenverschiebung zwischen mechanischer Spannung und Dehnung Dehnung der PVDF Folie Dielektrizitatskonstante des Vakuums bzw Influenzkonstante Ey 885 107 Amplitude der Dehnung Radiale Dehnung der PVDF Folie Dielektrizitatskonstante von PVDF Realteil der Dielektrizitatskonstante von PVDF Warmeleitfahigkeit Querdehnungszahl der PVDF Folie Spezifischer elektrischer Widerstand der
150. l der ganze Druckw chter k nnen aus PVDF hergestellt werden Metallelektroden aus Gold Silber oder anderen Metallen k nnen auf einer PVDF Sensorfolie durch Sput tern angebracht und wenn n tig fotolithografisch strukturiert werden Die physikalischen Eigenschaften von PVDF werden detailliert in Kapitel 3 diskutiert Folien Balken Rohre oder Platten aus PVDF werden von mehreren Firmen ange boten z B NOWOFOL Kunststoffprodukte GmbH amp Co KG W Max Wirth GmbH Kunststoff Erzeugnisse und Bikar Metalle GmbH Piezoelektrische PVDF Folien die f r die Sensorfolien des Druckw chters ben tigt werden werden von folgenden Firmen angeboten Measurement Specialities Inc USA AIRMAR Technology Corp USA Precision Acoustics Ltd UK PIEZOTECH S A FR 3 3 Stand der Forschung bei Drucksensoren aus PVDF Folien Es gibt mehrere Typen von Sensoren auf der Basis von piezoelektrischen Polymer folien f r die Messung von Kr ften und Dr cken Das Messprinzip von Sensoren f r die Messung von sich schnell ndernden dynamischen Dr cken basiert darauf dass durch Belastung eines piezoelektrischen Materials mit einer mechanischen Spannung eine elektrische Ladung erzeugt wird Diese elektrische Ladung und die entsprechende elektrische Spannung sind proportional zur mechanischen Belastung Wenn auf ein piezoelektrisches Material eine konstante mechanische Belastung wirkt wird eine konstante elektrische Ladung erzeugt die sich langsam be
151. len Im Temperaturbereich zwischen 15 C und 65 C ist demnach eine Luftfeuchtigkeit von 30 ansteuerbar Unterhalb von 15 C ist bei niedriger Luft feuchtigkeit 30 nur noch ein W rme K ltebetrieb des Klimaschranks m glich Die Versuche zeigten dass der Betriebsmodus 65 C Temperatur bei 97 Luft feuchtigkeit nicht realisierbar ist das erreichbare Luftfeuchtigkeitsmaximum bei 65 C Verdunstungstemperatur liegt bei ca 75 Weis94 Betriebscharakteristik des Klimaschranks VCL 4010 Der Temperaturbereich des Klimaschranks VCL 4010 liegt zwischen 40 C und 150 C Die Temperatur nderungsgeschwindigkeit betr gt 2 5 C min beim Aufhei zen und 3 5 C min bei Abk hlen Im Temperaturbereich zwischen 25 C und 95 C ist demnach eine Luftfeuchtigkeit von 30 ansteuerbar Unterhalb von 25 C ist bei niedriger Luftfeuchtigkeit 30 nur noch ein Warme K ltebetrieb des Klima schranks m glich Voet05 36 Beide Klimaschr nke verf gen nach au en ber abdichtbare ffnungen durch die die Druckluftversorgung und die Kabel gef hrt werden k nnen Zeitliche Ansteue rungsabl ufe lassen sich sowohl in den Klimaschr nken als auch in der Pr fstand steuerung programmieren und erm glichen einen teil oder vollautomatisierten Ver suchsbetrieb 5 1 7 Schaltung f r den PVDF Drucksensor Das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors kann mit drei elektronischen Schaltun gen verst rkt werden die im Folgenden alle dargestellt
152. lie folgender Zusammenhang 3 3 Q A Dn A did O 4 2 n 1 n 1 Die Folienkapazitat kann mit folgender Gleichung berechnet werden A Cpvpr Er F 4 3 Mit den Gleichungen 4 2 und 4 3 kann die elektrische Spannung auf der Folienober fl che berechnet werden 15 3 Q A Xd On ni Fr a t 0 0 tL Ban O 4 4 Cpypr Ep amp A nalEp Eo Ber 4 5 d3 E3n T Er o 4 1 2 Pyroelektrizitat Pyroelektrizitat auch pyroelektrischer Effekt pyroelektrische Polarisation ist die Eigenschaft einiger piezoelektrischer Kristalle auf eine Temperaturanderung AT mit Ladungstrennung zu reagieren Die resultierende Spannungsdifferenz kann an den Oberflachen mit Elektroden abgegriffen werden PVDF und seine Copolymere besitzen starke pyroelektrische Eigenschaften Das pyroelektrische Verhalten von PVDF Folien ist durch die folgenden Gleichungen cha rakterisiert Q p ATA 4 6 Q _ pt AT 4 7 Cpypr Eo Er Die Ladungen die die PVDF Folie erzeugt flie en durch den Innenwiderstand der PVDF Folie und den Widerstand der Messelektronik ab Deshalb erzeugt eine PVDF Folie nach einer schnellen Temperatur nderung am Ausgang nur f r eine bestimmte kurze Zeit weinige Sekunden eine elektrische Spannung Eine schnelle Tempera tur nderung kann z B dann auftreten wenn durch das Offnen eines Ventils ein kaltes oder hei es Medium ber den Druckwachter flie t Wenn sich die Temperatur an der PVDF Folie langsam nde
153. liegt der Wert by im Bereich zwischen 0 2 und 0 5 Der Anfangsdruck im PVDF Druckw chter wird mit Pozy bezeichnet Der Druck an der Hochdruckseite hinter dem Ventil ist Piy konst Wenn Po2W Piv lt by ist wird das Ventil nach dem Offnen berkritisch durch str mt Nach dem Anstieg des Druckes auf einer Seite des Druckw chters wird das Ventil unterkritisch durchstr mt Wenn Piy gt gt Pozv wird das Ventil den gr ten Teil der Zeit z berkritisch durchstr mt In diesem Fall k nnen wir ann hernd annehmen dass das Ventil w hrend der ganzen Zeit 7 berkritisch durchstr mt wird Der Mas senstrom durch das Ventil kann mit folgender Gleichung bestimmt werden Murr99 dm T FA Cy Py PrN Tv 7 31 Alle Werte auf der rechten Seite der Gleichung 7 31 werden als konstant angenom men Mit Hilfe der thermischen Zustandsgleichung f r ideale Gase kann die Abh n gigkeit des Druckes Poy von der Zeit berechnet werden Pay Voy May Roy Try 7 32 63 Pooy Voy 7 33 Rw Toy Aus Gleichungen 7 31 7 32 und 7 33 ergibt sich Moy Roy T T Pay Poy Hre N C Py Pr 7 34 Voy Ty Da P v gt gt Pozv folgt aus Gleichung 7 34 f R n T T NE Cy PrP y o 7 35 Py T T 2V 1V Aus Gleichung 7 34 ist zu erkennen dass der Druck Poy linear mit der Zeit zunimmt Unter Ber cksichtigung der Gleichung 7 34 ndert sich die Ausgangsladung Q linear mit der Zeit dQ _ i dP yy 7 36 dt dt dPyy _ Riy Toy Try CYP l
154. llgemein Bruchdehnung EB 50 Zweiachsige PVDF Folien allgemein Rockwell Harte R77 83 PVDF Folien allgemein Izod Schlagfestigkeit 120 320 J m PVDF Folien allgemein Langsschall CPVDF L 2200 2400 m s geschwindigkeit Schereschall CPVDF S 1500 2300 m s geschwindigkeit 132 Wasserabsorption Owa 0 02 0 02 H2O 24 Std Gleichgewichts verh ltnis W rmeleitzahl A 0 1 0 25 W mK bei 23 C Warmeleitfahigkeit PVDF Folien allgem Warmekapazitat Cw 1200 J kg K PVDF Folien allgemein W rmeausdehnungs a 80 140 10K PVDF Folien Koeffizient allgemein Arbeitsdruckbereich 10 10 Pa Bandbreite 10 10 Hz Spezifische Zr 3 9 10 4 4 10 Ns m Schallimpedanz Brennbarkeit VO nicht plas brennbar selbstaus l schend Piezofolien aus PVDF und Copolymeren die als Sensorelemente verwendet werden k nnen haben weitere wichtige Eigenschaften Sie haben eine exzellente Best ndig keit gegen Kriechen und Erm dung Mano03 Vino03 Vino01 Sie sind best ndig gegen die meisten Chemikalien gegen Oxidationsmittel und ultraviolette Strahlung Chemisches Verhalten von PVDF Tabelle 11 2 Chemisches Verhalten von PVDF acou atla buer zeus Resistent bedingt Resistent nicht Resistent Medium Konzentration Temper
155. lt werden muss Einfluss des RC Gliedes des PVDF Druckw chters auf die Kenlinie Aus Gleichung 7 55 folgt dass das RC Glied keinen Einfluss auf die Form der Kenn linie des Druckw chters hat wenn 7 konst Das ist erf llt wenn P gt gt Po2 Wenn diese Ungleichung nicht erf llt ist wird zt mit steigendem Druck P steigen Dann wird der relative Messfehler f r kleine Dr cke klein und f r gro e Dr cke gro siehe Abbildung 7 6 links Das kann zur Ver nderung der Form der Kennlinie f hren Die Ausgangsladung Q und die Ausgangsspannung U des Druckw chters werden bei gr eren Dr cken st rker sinken als bei kleineren Dr cken Deshalb muss der Wert RC f r den Druckw chter so gro wie m glich gew hlt werden 68 7 3 W rmeleitf higkeit der PVDF Membran Die W rmeleitf higkeit bzw das Verhalten der Sensormembran auf Temperatur nderungen ist bestimmt durch die Temperatur und Str mungsgrenzschichten auf beiden Seiten der PVDF Membran f r den konvektiven W rme bergang an die Membran verantwortlich und die Geometrie und Stoffparameter der Membran rele vant f r die W rme bertragung in der Membran Betrachten wir eine Membran mit der Anfangstemperatur To die mit Luft der Temp eratur T in Kontakt kommt Wenn von einer Temperatur des K rpers gesprochen wird so ist die kalorische Mitteltemperatur gemeint die man als integralen Mittelwert ber das gesamte Volumen berechnet T ist die kalorische Mitteltem
156. lusszeugnis mit Auszeichnung Fakult t f r Naturwissenschaft Schule N178 in Baku Schulabschlusszeugnis Azerbaycan D vlet Neft Akademiyasi Technische Hochschule Studium Ger tebau Spezialisierung in Biomedizinische Apparate und Systeme Bakkalaureus Diplom in Ger tebau mit Auszeichnung Azerbaycan D vlet Neft Akademiyasi Technische Hochschule Studium Ger tebau Spezialisierung in Biomedizinische Apparate und Systeme Magister Diplom in Biomedizinische Apparate und Systeme Ger tebau mit Auszeichnung Azerbaycan D vlet Neft Akademiyasi Technische Hochschule Studium Informations Mess und Computertechnik Promotion im Fachbereich Maschinenwesen an der RWTH Aachen am LuF Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen KEmikro Test und Reparatur von medizinischen Ger ten bei BIOMED Biomedizinische Technische Systeme Berater Biomedizinischer Ingenieur beim Offene Gesellschaft Institut Aserbaidschan Wissenschaftlicher Angestellter AMIR Universit t Oldenburg Wissenschaftlicher Angestellter KEmikro RWTH Aachen
157. messzeit muss entweder ein Temperatur sensor mit besserer Messgenauigkeit eingesetzt werden oder zus tzlich noch eine PVDF Folie f r die Messung von Temperatur nderungen verwendet werden Der in Abbildung 7 2 dargestellte Druckw chter braucht zwei Temperatursensoren Eine PVDF Folie f r die Messung von Temperatur nderungen und einen nicht sehr genauen Temperatursensor Wenn die Druckschwelle eines PVDF Druckw chters mehr als 10 MPa betr gt ist die PVDF Folie f r die Kompensation von dynamischen Temperatur nderungen nicht unbedingt erforderlich 7 6 Elektronische Messschaltung f r die Druckw chter Das Blockdiagramm der elektronischen Schaltungen f r Druckw chter auf der Basis von PVDF Folien ist in Abbildung 7 7 dargestellt Diese elektronische Schaltung besteht aus folgenden Komponenten dem Steuersignalgenerator dem elektro nischen Schalter dem Temperatursensor dem Verst rker mit Temperatur kompensation und dem Komparator Ventil Steuersignal generator PVDF Folie Sensor Ausgang Schalter Komparator Verst rker mit Sensor kompensation Abb 7 7 Blockdiagramm der elektronischen Schaltungen f r Druckw chter auf der Basis von PVDF Folien Das Ausgangssignal des Temperatursensors bzw des NTC Widerstandes wurde wie in Abbildung 7 7 gezeigt dazu verwendet die Verst rkung der Elektronik zu regeln sodass sich nach der Verst rkung ein nahezu von der Temperatur unabh n giges Ausgangssignal f
158. mittlerer Temperatur Beiwert des elektrischen Widerstandes bei 20 C liegt zwischen 40 10 und 80 10 K 4 die Schmelztemperatur liegt zwischen 1220 und 1270 C Oo 5 der spezifische elektrische Widerstand betr gt 0 49 Q mm m 6 der elektrische Widerstand betragt 0 156 Q cm Das Netzteil erzeugt Spannungen von 0 bis 60 V und Str me von O bis 4A Der Schwei stromerzeuger kann den Schwei draht mit einem kurzen von 0 1 ms bis 150 ms Stromimpuls bis 120 A oder mit einen langen von 5 ms bis 5 7 s Strom impuls bis 4 A erhitzen Schwei strom und Schwei zeit k nnen mit entsprechenden 48 Potentiometern und mit einem Schalter zum Umschalten zwischen kurzen und lan gen Stromimpulsen eingestellt werden Der Drucksensor wird w hrend des Schwei ens mit Druckluft gek hlt Die K hlrate kann durch die Einstellung des Systemdrucks mit einem Druckregelventil zwischen 0 und 700 kPa eingestellt werden Die K hlung wird nur dann eingeschaltet wenn der Schwei strom eingeschaltet wird Ober und Unterteile des Geh uses werden in speziellen Haltern befestigt und richtig positioniert Der Heizdraht wird an zwei Steckern angeschlossen PVDF Folie und Sensorelektroden werden auf das untere Geh useteil gelegt Obere und untere Geh useteile werden w hrend des Schwei ens mit der Handpresse zusammenge dr ckt Abbildung 6 9 Zwei Ansichten des Ger ts f rs Thermoschwei en 6 4 2 Prinzip des Thermoschwei ens Das F
159. mperatur nderung ist Deshalb ist eine pr zise Temperaturkompensation f r kapazitive PVDF Drucksenso ren notwendig Die elektronische Schaltung f r die Temperaturkompensation kann nicht einfach und kosteng nstig aufgebaut werden weil die Temperatur einerseits mit hoher Genauigkeit besser als 0 2 C gemessen werden muss und die Kapazit t andererseits nicht linear von der Temperatur abh ngt Das kapazitive Druckmess prinzip wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht weiter untersucht weil damit kein niedriger Preis erreichbar erscheint 4 Eigenschaften von PVDF Folien 4 1 Piezo und pyroelektrische Eigenschaften von PVDF Folien 4 1 1 Piezoelektrizit t Unter Piezoelektrizit t versteht man die Eigenschaft einiger Materialien mit einem elektrischen Signal bzw einer Ladungserzeugung zu reagieren wenn sie einem Spannungs und Dehnungszustand ausgesetzt werden Dieser Effekt ist umkehrbar so dass sich piezoelektrische Materialien deformieren wenn sie einer elektrischen Spannung ausgesetzt werden Bei der Piezoelektrizit t in Polymeren liegt kein einkristallines Material sondern eine komplexe Struktur verschiedener Kristallphasen vor die in eine amorphe Umgebung eingebettet sind Der Mechanismus der Piezoelektrizit t ist wesentlich durch die Eigenschaften dieser Struktur bestimmt Kristallite in PVDF k nnen a B y und e Phasen haben Bei PVDF ist der Polarisation der B Phase f r das Zustandekom men des Piezoeffekte
160. n 112 8 6 Vergleich von Messergebnissen mit theoretisch berechneten Kennlinien Kennlinien von Drucksensoren mit 28 um dicken PVDF Folien mit 4 mm Durchmes ser wurden mit in Kapitel 7 2 3 berechneten Kennlinien verglichen Die experimentel len und theoretischen Kennlinien f r 20 C 20 C und 60 C sind in Abbildung 8 31 dargestellt Spannung V N 0 Z T T T l 0 50 100 150 200 Druck kPa Abb 8 31 Theoretisch berechnete und experimentell ermittelte Sensorkennlinien bei unterschiedlichen Temperaturen Die theoretisch berechneten Kennlinien haben eine kleinere Amplitude und hnliche Form wie die gemessenen Kennlinien Die Unterschiede in der Amplitude und Form von gemessenen und berechneten Kennlinien k nnen daran liegen dass reale PVDF Folien anisotrop sind und die theoretischen Kennlinien wurden unter der An nahme berechnet dass die PVDF Folien isotrop sind Die gr ere Amplitude der gemessenen Kennlinien kann auch daran liegen dass die PVDF Folien gr ere piezoelektrische Module und gr ere Elastizit tsmodule haben als in den theoreti schen Berechnungen angenommen wurde Der Unterschied in Form von gemesse nen und berechneten Kennlinien kann daran liegen dass die Abh ngigkeit der piezo elektrischen Module und Elastizit tsmodule von den mechanischen Spannungen in der PVDF Folie w hrend der Berechnung der theoretischen Kennlinie nicht ber ck sichtigt wurde 113 8 7 Drucksensoren mit 515 um
161. n Die Wartungsger tegruppe besteht aus einem manuell bet tigbaren Einschaltventil einem 40 um Luftfilter einem manuell bet tigbaren Druckminderungsventil einem Manometer einem Ab zweigmodul und einem 0 01 um Luftfilter Die Wartungsger tegruppe ist an das Druckregelventil DRV Fest03 angeschlossen Das Druckregelventil stellt im Druckspeicher DS einen vorgebenden Druck zwischen OkPa und 700kPa zur Verf gung Es handelt sich um ein Druckregelventil das gegen die Umgebung entl ftet wird Die Druckaufbereitung V1 V2 DRV DS beaufschlagt die Sensoren S1 S2 S3 und den zu untersuchenden PVDF Drucksensor ber die Schnellschaltventile V4 V5 und Ventil V6 innerhalb eines definierten Zeitraums mit Druck V4 V5 und V6 werden gegen die Umgebung entl ftet 30 Abb 5 1 Pr fstand zum Testen von Drucksensoren DRV DS v1 HED MIN MPPES 3 1 4 10 010 a MDH 2 2 2 QS 6 k 7 ue ped eat mr LFR D MINI A FRM D MINI BEN D MINI H oH H DIN pu 3 40um 0 01pm l TH 3 1 4B B rkert Vave V6 rn te IN MPYE 5 1 8 LF 010 B ID No 00142651 V3 Esl P eh V7_ 59775 Ne d 2 ne ind arr vsi K i 3 p 19C100A7K MHE3 MS1H 3 2G QS 6 K a Be Vs V4 J 1 D 2 Output 1 Ground lt 3 a gt Output 2 Output Output Pitts on gts i i d er a vio _ Anschlusse f r Norgen Valve pl t sf Type 581641 H 19C100A7K PVDF Druck HFS1 sensoren B rkert Valve CRVZS 0 75 HA Dis f 3 nal 7 Gr
162. n herzustellen weil Komponenten aus Polymeren kosteng nstig und einfach herge stellt werden k nnen Dabei sollten Sensorelement und Sensorgeh use aus dem selben Polymer bestehen Dadurch wird die Kennlinie weniger von der Temperatur beeinflusst weil Sensorelement und Geh use die gleiche thermische Dehnung haben Als Polymer wurde PVDF ausgew hlt weil es piezoelektrisch ist nur wenig zum Kriechen neigt und eine sehr gute Best ndigkeit gegen ber den meisten Chemi kalien aufweist wie u a starken S uren Laugen und L sungsmitteln Drucksensoren aus PVDF bestehen im Allgemeinen aus drei Teilen einer metallbe schichteten piezoelektrischen PVDF Folie einem PVDF Geh use und einer Auswer teelektronik Die daraufhin entwickelten PVDF Drucksensoren wurden detailliert analysiert Fol gende Parameter der Sensoren wurden gemessen Die Kennlinie Linearit t Hyste rese Wiederholbarkeit Aufl sung Empfindlichkeit Ansprechzeit Resonanzfrequenz der PVDF Folie Berstdruck der maximale Arbeitsdruck Arbeitstemperatur und Ar beitsfeuchtigkeitsbereich Querempfindlichkeiten gegen ber Temperatur und Feuch tigkeit Einfluss von Kriechen Relaxation und elektrischem Widerstand der PVDF Folie auf das Ausgangssignal Anderung des Ausgangssignals Alterung des Druck sensors nach langzeitiger konstanter und wechselnder Druckbelastung bei unter schiedlichen Temperaturen Verhalten von Drucksensoren nach dem Eintauchen in unterschiedliche stark
163. n relativ konstante elektrische Parameter 8 4 1 Einfluss von Relaxation und Kriechen auf das Ausgangssignal Die Relaxation die langsame nderung der piezoelektrischen Module nach einer mechanischen Be und Entlastung und das Kriechen der PVDF Folie sind in den Kapiteln 4 3 2 und 4 5 1 n her beschrieben Diese beiden Effekte f hren dazu dass das Ausgangssignal der PVDF Folie nach dem Anlegen einer Druckbelastung langsam steigt und nach dem Aufheben einer Druckbelastung langsam sinkt obwohl die Druckbelastung sich nicht ndert siehe Abb 8 21 In Abb 8 21 ist es nicht m glich den Einfluss der Relaxation der piezoelektrischen Module von demjenigen des Kriechens der PVDF Folie zu unterscheiden Die Mes sungen wurden bei 20 C gemacht weil bei dieser Temperatur die Relaxations prozesse in PVDF relativ stark sind Gleichzeitig ist bei 20 C der elektrische Wider stand der PVDF Folie sehr hoch und bt nur einen geringen Einfluss auf die Aus gangsspannung aus In Abb 8 22 ist das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors in den ersten Sekun den nach dem Anlegen einer konstanten Druckbelastung von 200 kPa dargestellt Das in Abb 8 22 dargestellte Ausgangssignal kann in drei Bereiche unterteilt wer den F r den ersten Bereich ist der piezoelektrische Effekt verantwortlich Die Aus gangsspannung in diesem Bereich ist eine Funktion des Drucks und kann mit Glei chung 7 14 berechnet werden F r den zweiten und dritten Bereich sind Kri
164. ng von Molekular ketten in L ngsrichtung gr er ist als in Querrichtung Die Temperaturabh ngigkeit des Elastizit tsmoduls hat einen Einfluss auf die Temperaturabh ngigkeit der Ausgangsspannung und den Berstdruck des Druckw chters und muss daher ber cksichtigt werden 23 E GPa tan E Pr BE RR N a N a relaxation ae BERGER a 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Temperature K Abb 4 12 Speichermodule und Verlustfaktoren von polarisierten 28 um dicken PVDF Folien von MSI in zwei Richtungen im Temperaturbereich zwischen 50 C und 121 C Senc03 4 4 Diffusion von Medien durch PVDF Folien Die Diffusion von Gasen und Fl ssigkeiten durch Polymermembranen wurde bereits untersucht Entsprechend dem kombinierten Fick schen Henry schen Ansatz und unter der Annahme des Beharrungszustands und der Konzentrationsunabhangigkeit des Diffusions und Solubilit tskoeffizienten l sst sich der Volumenstrom f r Gase durch eine Polymermembran mitfolgender Gleichung berechnen Comy85 Rummg9 Stan78 Sulo02 Sg D A AP a A AP Q Z m s 4 9 t t Die Gaspermeabilitat von Membranen ist oft in der Einheit Barrer dargestellt Sulo02 iara Z STEN 5 am STE ar cm sec cmHg m s Pa s Pa Hier bedeutet STP Standarte Temperatur und Druck engl Standard Temperature and Pressure Ty 273 15 K Py 1 01325 10 Pa 3 Tabelle 4 1 Permeabilitatskonstanten ay 107 er f r verschieden
165. nicht nur schnelle Druck nderungen sondern auch quasistatische Dr cke messen kann Im Rahmen dieser Arbeit wurde die maximale Messzeit von PVDF Drucksensoren bei unter schiedlichen Temperaturen gemessen Die maximale Messzeit ist die Zeit w hrend welcher die Abweichung des Ausgangssignals des Drucksensors vom realen Druck wert die Drucksensormessgenauigkeit nicht berschreitet Folgende Faktoren f hren zur nderung des Ausgangssignals des Drucksensors wenn das Ausgangssignal ber relativ lange Zeit gemessen wird Die Relaxation von piezoelektrischen Modulen dieser Effekt ist in Kapitel 4 3 2 n her beschrieben das Kriechen der PVDF Folie die nderung der Ausgangsspannung wegen der nde rung der Umgebungs oder der Fluidtemperatur das Abklingen der elektrischen La dungen auf der Oberfl che der PVDF Folie wegen des elektrischen Widerstands der PVDF Folie und an der Folie angeschlossenen elektronischen Schaltungen Im Weiteren wird der Einfluss von Kriechen Relaxation und elektrischem Widerstand der PVDF Folie auf die Ausgangsspannung des Drucksensors beschrieben Es wird ein Drucksensor mit einer 28 um dicken Silbertinte beschichteten PVDF Folie untersucht Als Messschaltung wird ein Operationsverst rker mit hochohmigem Eingangswiderstand benutzt Parallel zur PVDF Folie wird eine Kapazit t Co 3 3 nF angeschlossen Schaltung in Abb 5 7 Der Verst rker und der Kondensator Co blieben au erhalb des Klimaschranks und hatten deswege
166. nks und seine Komponenten rechts 46 Um die Folien zu stanzen wird das Stanzwerkzeug mit einer Presse zusammen gedr ckt Die Handpresse und das Stanzwerkzeug sind in Abb 6 6 dargestellt Eine gestanzte piezoelektrische PVDF Folie ist in Abb 6 7 dargestellt PVDF Folien k nnen mit dem Stanzwerkzeug sehr kosteng nstig in kleinen und in gro en St ckzahlen hergestellt werden Stanzen beeinflusst die piezoelektrischen Eigenschaften der PVDF Folie nicht Die gestanzten PVDF Folien brauchen keine weitere Behandlung Sie k nnen direkt f r den Aufbau des Druckw chters verwendet werden Abb 6 6 Handpresse mit Stanzwerkzeug Abb 6 7 Gestanzte piezoelektrische PVDF Folie 6 4 Thermoschwei en des Geh uses f r PVDF Druckw chter Nachdem alle Komponenten der PVDF Druckw chter PVDF Folie Geh useteile elektronische Schaltung und Anschlusskabel hergestellt sind wird der Druckw chter zusammengebaut Das kann in folgenden Schritten realisiert werden 1 Anlegen der piezoelektrischen PVDF Folie und Anschlussdr hte an das unte re PVDF Geh useteil siehe Abb 6 8 2 Anlegen des oberen Geh useteils an das unterer Geh useteil und verschwei Ben von beiden Geh useteilen 3 Anschluss der elektronischen Schaltung Das Verschwei en von unteren und oberen Geh useteilen wird mit einem Schwei ger t realisiert W hrend des Schwei ens wird ein Heizdraht der in Kontakt mit dem 47 unteren und oberen
167. nschaften und die nderung der piezoelektrischen Eigenschaften von 100 um dicken P VDF TrFE 75 25 Folien der Firma PIEZOTECH S A Saint Louis France nach einer mechanischen Belastung untersucht Senc04b Senc04c Sencadas et al haben festgestellt dass die ferro elektrischen Eigenschaften von P VDF TrFE Folien sich nach der Dehnung in L ngsrichtung nicht ndern Es wurde auch festgestellt dass die ferroelektrischen Eigenschaften von P VDF TrFE nach der Dehnung in Querrichtung zerst rt werden Senc04b Wenn die P VDF TrFE Folie in beide Richtungen kriecht nehmen die ferroelektrischen und die piezoelektrischen Eigenschaften dieser Folie ab Aus diesen Untersuchungen folgt dass die piezoelektrischen Konstanten einer PVDF Folie durch Kriechen abnehmen Das bedeutet dass das Ausgangssignal einer PVDF Folie mit dem Kriechen und der Alterung sinkt 5 Messaufbauten f r den Test von Druckw chtern Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden f r den Test von Drucksensoren drei Ger te aufgebaut 1 Pr fstand zum Testen von Drucksensoren 2 Dauerteststand f r dynamische Druckbelastungen 3 Dauerteststand f r statische Druckbelastungen Der Pr fstand dient zur Messung unterschiedlicher Eigenschaften der Drucksenso ren z B Kennlinie Messgenauigkeit Temperatur und Feuchteabh ngigkeit An sprechzeit Alterungsverhalten usw Der Dauerteststand f r dynamische Druckbelastungen dient zum Dauertest unter einer wechselnden Druc
168. nte haben gezeigt dass der Drucksensor mit einer 28 um dicken PVDF Folie eine bessere Wiederholbarkeit hat als der Drucksensor mit einer 25 um dicken PVDF Folie Bei manchen Messungen f r die beiden Sensoren liegen einzelne Messpunkte zu hoch oder zu tief im Vergleich zu den meisten anderen Messpunkten und verschlech 89 tern damit die Wiederholbarkeit Der Grund daf r sind wahrscheinlich St rungen im Messstand oder das Fehlverhalten des Druckregelventils Auch unter Ber cksichti gung solcher Verf lschungen des Messsignals betr gt die gemessene Wiederholbar keit der PVDF Drucksensoren f r alle gemachten Messungen weniger als 10 Die reale Wiederholbarkeit der PVDF Drucksensoren ist kleiner als dieser Wert Die Messungen zeigen dass die Wiederholbarkeit von PVDF Drucksensoren besser ist als die in dem Lastenheft geforderte Genauigkeit der Schaltschwelle f r einen Druck w chter von 10 8 2 5 Aufl sung und Empfindlichkeit Die Aufl sung eines Drucksensors wird als kleinste nderung des Drucks definiert der zu einer eindeutigen und reproduzierbaren Anderung des Ausgangssignals f hrt Es wurden Drucksensoren mit unterschiedlichen Aufl sungen gebaut Die Aufl sung eines Drucksensors kann aus Abb 8 9 ermittelt werden sie betr gt ca 300 Pa Die Aufl sung eines PVDF Drucksensors kann durch eine Vergr erung der Verst rkung und Verringerung des Rauschens des Sensorverst rkers verbessert werden Die Empfindlichkeit eine
169. oduls Andere nderungen in mechanischen und ferroelektrischen Eigenschaften von PVDF Folien Die Ausdehnung und die nderung der Kriechnachgiebigkeit von PVDF Folien wur den schon untersucht Hier werden die entsprechenden Forschungsergebnisse dar gestellt In Mano03 wurde die nderung der elastischen Nachgiebigkeit bei 30 C und o 10 MPa diese mechanische Spannung kann mit einer Druckdifferenz von ca 50 kPa in einer 28 um dicken kreisf rmigen PVDF Folie mit 4 mm Durchmesser erzeugt werden f r eine PVDF Folie untersucht siehe Abbildung 4 13 um un um m un ExpPts 2 47 vovo y a tbx 22 m yratbx ox 2 0F 1 87 1 67 TT 2 67 1 47 1 2F 1 0F esr log t min 0 6 o210 12345 6 7 8 8 s GPa S24 Th a amp 8 SB FY B S log t min Abb 4 13 nderung der Nachgiebigkeit s t w hrend des Kriechens von PVDF Fasen bei 30 C und einer mechanischen Spannung von 10 MPa Mano03 Aus Abb 4 13 folgt dass sich nach 190 Jahren 10 min bei einer konstanten Zug spannung von 10 MPa die Nachgiebigkeit des PVDF von ca 0 85 10 Pa auf ca 2 55 10 Pa erh ht Es ist zu beachten dass das Kriechen von PVDF mit der Tem peratur rasant ansteigt und sich bei niedrigeren Temperaturen entsprechend verklei nert Aus Abb 4 14 folgt dass die Anderung der Nachgiebigkeit s z nach 2 Stunden 26 bei 90 C genauso gro ist wie die nderung der Nachgiebigkeit nach 2 Monaten bei 30
170. os Mendez et al haben die mechanischen Eigenschaften und die nderung der internen Struktur von einachsig gereckten 28 um dicken PVDF Folien der Firma MSI USA Inc nach ihrer mechanischen Belastung und die plastische Verformung untersucht Lanc01 Lanc02 Die von Lanceros Mendez et al gemessene Spannungs Dehnungs Kurve einer 28 um dicken PVDF Folie ist in Abbildung 4 16 dargestellt Lanc0O1 Es wurde festgestellt dass die PVDF Folien in L ngsrichtung 1 Richtung br chig sind und eine gr ere Bruchspannung und kleinere Bruchdehnung als in Quererichtung 2 Richtung haben Einachsig gereckte PVDF Folien k nnen in Quererichtung viel st rker deformiert werden als in L ngsrichtung Es wurde auch festgestellt dass die plastische Verformung von PVDF Folien in Querrichtung zur Verringerung der Kristallinit t und zur Umorientierung von Kristall ketten in Richtung der Ausdehnung f hrt Barb03 LancO1 Lanc02 Diese plastische Verformung von PVDF Folien tritt w hrend der Alterung und des Kriechens von PVDF Folien auf Die Verringerung der Kristallinit t und die Umorientierung von Kristallketten in PVDF welche w hrend des Kriechens auftritt f hren zur Anderung der piezoelektrischen Module Longitudinal c GPa Transversal 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 Abb 4 16 Spannungs Dehnungs Kurve von PVDF Folie in L ngsrichtung 1 Richtung und Querrichtung 2 Richtung Lanc01 Sencadas et al haben die mechanischen Eige
171. oten wird der alle im Lastenheft dargestellten Anforderungen erf llt Die vorhandenen Sensoren k nnen auch nicht mit geringem Aufwand so verbessert werden dass die Anforderungen des Lastenheftes erf llt werden Einige der Sensoren haben einen zu hohen Preis oder zu gro e Abmessungen die anderen haben eine zu geringe Lebensdauer einen zu geringen Arbeitsdruck oder Arbeitstemperaturbereich schlechte chemische Eigen schaften oder eine zu lange Messzeit Sehr gute Best ndigkeit gegen viele Chemikalien und ein geringer Preis k nnen durch die Fertigung von Druckw chtern aus chemisch inerten Kunststoffen wie Poly tetrafluorethylen PTFE Polyetheretherketon PEEK Polyvinylidenefluorid PVDF usw erzielt werden Das bedeutet dass Sensorgeh use und Sensorelement aus solchen Kunststoffen bestehen oder mit ihnen laminiert werden m ssen Das Sensor element kann aus piezoresistivem oder aus piezoelektrischem Kunststoff hergestellt werden Ein bekanntes piezoresistives Polymer Poly 3 4 Ethylendioxythiophen PEDT wurde bereits f r die Herstellung von Dehnungsmessstreifen verwendet Mate06 Es gibt die folgenden piezoelektrischen Kunststoffe Harr01 PVDF und seine Copolymere u a Poly vinylidenefluorid co trifluorethylen P VDF TrFE ungerades Nylon semikristallines Polymer mit sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften besonderes bei hohen Temperaturen geradzahliges Nylon wie Nylon 61 und Nylon 61 6T semikristalline Polymere
172. ound h a 5 Een sh Ouiput C HFS2 CRVZS 0 75 B rkert Valve ID No 00142651 Hydraulischer Teil Abb 5 2 Pneumatisches und hydraulisches Schaltbild des Pr fstands 31 Das Proportionalventil V7 wird f r die hier beschriebenen Versuche nicht eingesetzt Das handbet tigte Schaltventil V3 ist nur f r die Druckentlastung im Falle einer Fehlfunktion des Pr fstandes vorgesehen Sensor S4 Ventile V8 V9 V10 und Hydraulikfl ssigkeitsspeicher HFS1 und HFS2 geh ren zum hydraulischen Teil des Pr fstands Als Hydraulikfl ssigkeit dienen des tilliertes Wasser oder Hydraulik l Die Hydraulikfl ssigkeitsspeicher HFS1 und HFS2 sind zur H lfte mit einer Hydraulikfl ssigkeit gef llt Durch die Bet tigung der Ventile V8 V9 V10 werden der Sensor S4 und der PVDF Drucksensor mit dem Druck be lastet 5 1 2 Sensorik Mit dem Pr fstand wurden die Kennlinie und andere Parameter des PVDF Sensors unter definierten Druck Umgebungs und Einschaltbedingungen gemessen Das Signal des PVDF Sensors wird dabei ber dem Signal des Sensors S2 f r pneu matische Schaltung bzw des Sensors S4 f r hydraulische Schaltung Referenz drucksensoren aufgetragen Die Referenzdrucksensoren S2 und S4 sind Absolutdrucksensoren vom Typ 19C100PA7K Sens04a mit einem zul ssigen Absolutdruck von 689 5 kPa 100 psi und einer Ansprechzeit von 0 1 ms f r eine Signal nderung von 10 bis 90 der maximale Signalamplitude Die Charakt
173. peratur der Membran zum Zeitpunkt z 0 Die kalorische Mitteltemperatur der Membran nach dem Temperaturausgleich zwischen Membran und Umgebung ist 7 Wenn die Um gebungstemperatur auf beiden Seiten der Membran gleich T ist gilt Ts Ty Die konvektiven W rme bergangskoeffizienten W rmedurchgangskoeffizienten sind str mungsfallabh ngig und k nnen f r nicht str mende Fluide konservativ zu Qy 6 W m K abgesch tzt werden Voge97 Die Membran selbst besitzt eine W r meleitf higkeit von 2 0 1 W mK bei einer Dicke von t 28 um siehe Tabelle 11 1 Obwohl die Silbertintenbeschichtung 12 um betr gt und deshalb ein Einfluss auf die Folienerw rmung hat wird sie hier nicht ber cksichtigt Die Rechnung liefert damit eine untere Schranke f r die Erwarmungszeit bzw eine obere Schranke f r die Temperatur nderung der PVDF Folie Eine beidseitige Beschichtung mit Gold auf Platin die alternativ zur Silbertintenbeschichtung benutzt wird hat eine extrem kleine Dicke von 140 nm und im Vergleich zu PVDF eine hohe W rmeleitf higkeit Sie kann deshalb vernachl ssigt werden Im Folgenden wird eine Absch tzung ber die zeitliche Erw rmung der Membran unter der Bedingung einer anzugleichenden anf nglichen Temperaturdifferenz AT t 0 T To zwischen Membran und druckluftseitiger Umgebung durchge f hrt Die Temperatur gilt als angeglichen sobald die Temperaturdifferenz noch 1 des Anfangswerts betr gt AT z T T z 0 0
174. peraturdifferenz zwischen der PVDF Folie und der Druckluft mit Gleichung 7 72 berechnet werden 2 a 5 6 0 1 e Prvor Cwt i e 1780 1200 28 1076 Das hei t wenn die Druckschwelle eines Druckw chters 100 kPa und die Messzeit 100 ms betragen darf der Temperaturunterschied zwischen der Luft im Druckw ch ter und der PVDF Folie nicht mehr als 1 1 C betragen Die Temperatur des Fluids kann sich aber um mehr als 1 1 C von der Temperatur des Druckw chters unter scheiden Daraus folgt dass f r solche Druckw chter eine Temperaturkompensation unbedingt erforderlich ist 7 4 3 Einfl sse von weiteren Faktoren PVDF Folien erzeugen elektrische Ladungen und eine entsprechende elektrische Spannung wenn Infrarot Strahlung auf sie wirkt Deshalb muss ein Druckw chter vor Infrarot Strahlung abgeschirmt werden weil sie starke Anderungen in der Ausgangs spannung verursachen kann Die statische Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Schaltschwelle weil sich mit der Temperatur die piezoelektrischen Module und die mechanischen Eigenschaften von piezoelektrischen PVDF Folien ndern Um die Genauigkeit der Schaltschwelle innerhalb von 10 halten zu k nnen muss der Druckw chter mit einem zus tzlichen Temperatursensor ausgestattet werden Die oben dargestellten Berechnungen zeigen dass die relative Genauigkeit der Schaltschwelle unter 10 gehalten werden kann vorausgesetzt dass der Druck w chter ber
175. piteln 5 1 7 und 7 6 beschriebenen F r den Druckw chter wurde eine elektronische Mess schaltung aufgebaut siehe Abbildung 6 4 die aus diskreten elektronischen Kompo nenten digitalen integrierten Schaltungen und Operationsverst rkern aufgebaut ist Wenn Druckw chter in gro en St ckzahlen hergestellt werden kann ein spezieller 44 integrierter elektronischer Chip entwickelt werden welcher alle f r einen Druckw ch ter notwendigen elektronischen Komponenten beinhaltet Dieser Chip kann in das Druckw chtergeh use integriert werden Dadurch k nnen Preis und Abmessungen weiter reduziert werden Abb 6 4 Elektronische Schaltung f r PVDF Druckw chter 6 2 Tempern von PVDF Folien und Geh usen Das Tempern von PVDF Folie und Geh use unter Druckbelastungen bei Temperatu ren die oberhalb der maximalen Einsatztemperatur des Druckw chters liegen hat einen wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften der Folien Durch Tempern kann fol gendes erreicht werden 1 Die Kennlinie des Druckw chters kann linearisiert werden siehe Kapitel 8 2 2 und 8 5 2 2 durch Temperatur nderungen verursachte mechanische Spannungen in einer PVDF Folie k nnen minimiert werden siehe Kapitel 4 2 2 F r das Tempern von PVDF Folien wurde entweder der Ofen FD 115 von Firma BINDER GmbH oder der Klimaschrank VCL 4010 von Firma V tsch Industrietechnik GmbH verwendet Am Ofen kann die Temperatur von ca 5 C ber Raumtemperatur bis 300 C einge
176. r N m s Pa J kg K m s C m C N C N Pa Pa Pa fr I3n Jaus Jein Pi max Resonanzfrequenz Erdbeschleunigung g 9 80665 Piezospannungskonstante in n Richtung n 1 3 Hysterese Elektrischer Strom Feldindices zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Ventils Feldindices bei fallender Signalflanke des Schnellschalt ventils Feldindices zum Zeitpunkt des Einschaltens des Ventils Feldindices bei steigender Signalflanke des Schnellschalt ventils Feldindex Feldindex Feldindex Fl chenverh ltnis Koeffizient Koeffizient Koeffizient der die Anstiegsrate der elektrischen Ladung charakterisiert Proportionalit tsfaktor zwischen dem Ladungsanstieg und dem Druckanstieg eines PVDF Drucksensors L nge Charakteristische L nge der PVDF Folie L nge der Fluids ule Mindestbreite der Schwei stelle Masse Luftmasse im Schlauch nach dem Ventil auf der Seite des Druckw chters bevor das Ventil geschaltet hat Luftmasse im Schlauch nach dem Ventil Massenstrom durch PVDF Folie Richtung 1 L ngs 2 Breiten 3 St rkenrichtung Feldindices Druck Anfangsdruck an der Niederdruckseite nach dem Schnell schaltventil wo der PVDF Drucksensor angeschlossen ist Druck n 0 2 Druck an der Hochdruckseite hinter dem Schnellschaltventil Druck an der Niederdruckseite nach dem Schnellschaltventil wo der PVDF Drucksensor angeschlossen ist Maximaler durch die Beschleunigung verursachter Druck Luftdruc
177. r einen Drucksensor nur mit einer dynamischen oder statischen Druckbelastung beaufschlagen kann Die Sensoreigenschaften vor und nach der Druckbelastung k nnen mit dem Pr fstand gemessen werden Ein Dauerteststand f r dynamische Druckbelastungen ist in Abbildung 5 8 dargestellt Der Aufbau dieses Dauerteststandes ist in Form eines Blockschaltdiagramms in Ab bildung 5 9 dargestellt Der dargestellte Dauerteststand funktioniert folgenderma en Die Druckluft wird gefil tert Das Prazisionsdruckregelventil stellt einen bestimmten Druck im System ein Der Druckwert kann mit Hilfe des Pr zisionsmanometers abgelesen werden Der Druck luftspeicher dient zum Gl tten von Druckschwankungen beim Schalten des Ventils Der Dauerteststand hat 10 Druckluftanschl sse f r Drucksensoren damit bis zu 10 Drucksensoren gleichzeitig getestet werden k nnen Wenn das Ventil ffnet werden die Drucksensoren mit Druckluft belastet Wenn das Ventil schlie t f llt der Druck an den Drucksensoren bis zum Atmosph rendruck ab Das Ventil wird mit dem Mikro controller gesteuert Die Anzahl von bet tigten Schaltspielen wird mit dem Mikro kontroller gez hlt Der Benutzer kann ber die RS 232 Schnittstelle die Anzahl der Schaltspiele von 1 Million bis 10 Millionen einstellen Der Dauerteststand be und ent lastet die Drucksensoren so oft wie es eingestellt wurde mit dem eingestellten Druck und stoppt danach das Experiment 39 Abb 5 8 Dauerteststand f r
178. r den Innenwiderstand des Piezomaterials und den Widerstand der angeschlossenen elektronischen Schaltungen abflie t Das f hrt dazu dass nach einer bestimmten Zeit die Ausgangsladung des Piezomaterials verschwindet obwohl es weiterhin der mechanischen Belastung ausgesetzt ist Deshalb sind solche Sensoren nur f r die Messung von dynamischen und quasi statischen Kr ften und Dr cken geeignet Koal85 Kole98 MSI99 Roch88 Swan01 Yant04 Zahn05 Neben den Sensoren f r die Messung von dynamischen Kr ften und Dr cken gibt es auch Sensoren auf der Basis von piezoelektrischen PVDF Folien welche f r die Messung von statischen Kr ften und Dr cken geeignet sind Diese Sensoren haben verschiedene Messprin zipien Unten werden einige Drucksensoren und ihre Funktionsprinzipien kurz darge stellt 3 3 1 Sensor f r akustische Stosswellenimpulse In dem Patent EP0255636 von Hans Rochling von der Siemens Aktiengesellschaft ist ein Sensor f r akustische Stosswellenimpulse beschrieben der aus einer Piezo folie bzw einer PVDF Folie derart aufgebaut ist dass er sehr schnelle Druckimpulse in Fl ssigkeiten messen kann Roch88 Nachteilig bei dieser Art von Drucksensor ist dass er nur f r die Messung von sehr schnellen Druck nderungen geeignet ist F r die berwachung von Ventilen oder Filtern m ssen aber auch Druck nderungen die bis zu 0 1 s und l nger dauern gemessen werden k nnen Weitere Sensoren f r die Messung von dynamischen Dr
179. r hinaus sinkt der elektrische Widerstand der PVDF Folie mit steigender Tem peratur Das f hrt zu einem schnellen Abfluss der elektrischen Ladungen Deshalb k nnen langsame Druck nderungen bei hohen Temperaturen nicht gemessen wer den Die Temperaturabh ngigkeit des Folienwiderstands wird in Kapitel 8 4 3 n her beschrieben Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur von Drucksensoren mit Ladungsverst rker Schaltung 1 Wenn ein PVDF Drucksensor mit einem Ladungsverst rker ausgelesen wird wird die mit der PVDF Folie erzeugte elektrische Ladung gemessen Diese Ladung kann mit Gleichung 7 13 berechnet werden Die Ausgangsspannung des Verst rkers kann mit Gleichung 5 4 berechnet werden Durch Einsetzen von Gleichung 7 13 in Gleichung 5 4 folgt 1 AP R E nla a Lap itda 2V dss A dys AP 8 18 Aus Gleichung 8 18 folgt dass die Temperaturabh ngigkeit des Ausgangssignals durch die Temperaturabh ngigkeit der piezoelektrischen Module da N 1 2 3 und durch die Temperaturabh ngigkeit des Elastizit tsmoduls E bestimmt ist Die Querempfindlichkeit eines PVDF Drucksensors mit Ladungsverst rker gegen ber der Temperatur ist in Abb 8 13 dargestellt Die Abh ngigkeit der Ausgangs spannung von der Temperatur ist im Allgemeinen nicht linear Das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors steigt bei geringen Dr cken schneller mit der Temperatur als bei hohen Dr cken Wenn die Temperatur sich z B von 40 C auf 50 C nde
180. r stark mit der Temperatur ndert siehe Abbildung 4 9 Die nderung der Kapazit t von PVDF Folien kann durch die nderung der Dielektri zit tszahl der Fl che und der Dicke der Folie erkl rt werden siehe Gleichung 4 3 Die nderung der Dielektrizit tszahl einer 28 um dicken polarisierten PVDF Folie von MSI USA Inc wurde im Temperaturbereich von 190 C bis 125 C durch Sencadas et al untersucht siehe Abbildung 4 10 Senc05 0 8 0 6 0 4 Capacitance T Capacitance 20 C 0 2 210 170 130 90 50 10 30 70 110 PVDF Sensor Temperature T C Abb 4 9 Abh ngigkeit der Kapazit t einer PVDF Folie von der Temperatur Die Kapazit tswerte sind auf den Kapazit tswert bei 20 C normalisiert Sram04 14 5 kHz 10 kHz 12 FI_ 50 kHz 100 kHz 10 Poled B PVDF 8 Cc We 4 2 150 100 50 0 50 100 LASG Abb 4 10 nderung der Dielektrizit tszahl von PVDF Folie bei unterschiedlichen Temperaturen und Frequenzen des Messsignals Senc05 22 4 3 4 Temperatur und Druckabh ngigkeit des Elastizit tsmoduls Da ein bedeutender Anteil der piezoelektrischen Eigenschaften durch die mechani sche Deformation der Folie bestimmt wird wird die elastische Nachgiebigkeit s die Nachgiebigkeit s ist der Kehrwert des Elastizit tsmoduls E s in Abhangigkeit der statischen Vorspannung untersucht Abb 4 11 Schu91 Es zeigt sich dass in 1 und in 2 Richtung die Nachgiebi
181. rs kann auch durch entsprechende nderun gen in der Konstruktion seines Geh uses verbessert werden Die oben untersuchten Drucksensoren sind wie in Abbildung 7 1 dargestellt aufgebaut mit A Az Diese Drucksensoren besitzen keine St tzfl che welche zur Linearisierung der Kennlinie eines PVDF Drucksensors genutzt werden kann In 20 Versuchen mit unterschiedlich aufgebauten Geh usen zeigte sich dass die Kennlinie des Drucksensors linearisiert wird wenn 1 lt ka lt 14 F r alle anderen k wird die Linearit t der Kennlinie ent 1 weder nicht ver ndert oder verschlechtert Es wurden im Rahmen dieser Arbeit keine Experimente gemacht um das optimale Fl chenverh ltnis k zu finden Im Rahmen dieser Arbeit wurden Sensorkennlinien bei unterschiedlichen Fl chenverh ltnissen 0 8 lt k lt 4 untersucht und es wurde gezeigt dass die Sensorkennlinie durch die Anpassung des Fl chenverh ltnisses k linearisiert werden kann In Abb 8 6 sind die Kennlinien von zwei Drucksensoren mit ihren Ausgleichsgeraden dargestellt ein Drucksensor mit D D 4 mm und der andere Drucksensor mit 86 D 3 5 mm und D2 4 mm k 1 3 Beide Kennlinien wurden bei 21 C Temperatur gemessen Der Drucksensor in Abb 8 6 mit dem Fl chenverh ltnis k 1 3 hat einen Linearitatsfehler von 4 und der Drucksensor mit dem Fl chenverh ltnis k 1 hat der Linearit tsfehler von 7 Spannung V 0 50 100 150 200 Druck kPa Abb 8 6 Kennl
182. rt 4 3 Temperatur Druck und Frequenzabh ngigkeit von PVDF Folien 4 3 1 Temperatur und Druckabh ngigkeit des Piezoeffekts Die Temperaturabh ngigkeit der piezoelektrischen Module von PVDF wurde von Destruel et al untersucht Dest84 Vino02a Es wurde festgestellt dass die piezo elektrischen Koeffizienten von PVDF stark temperaturabh ngig sind siehe Abbildung 4 4 In MSI99 wurde die Abh ngigkeit der piezoelektrischen Module d3 und 93 der PVDF Folien der Firma Measurement Specialities Inc von der Temperatur unter sucht Diese Abh ngigkeiten sind in Abbildung 4 5 dargestellt Der piezoelektrische Koeffizient g3 kann mit Gleichung 4 5 berechnet werden In Ab bildung 4 5 ist zu erkennen dass der piezoelektrischer Koeffizient g3 eine geringere Temperaturabh ngigkeit aufweist als der piezoelektrische Koeffizient d3 und dass diese Temperaturabh ngigkeit linear ist Das liegt daran dass die Dielektrizit tskon 18 stante von PVDF sich mit der Temperatur in die gleiche Richtung ndert wie der piezoelektrische Modul d3 siehe Abbildung 4 10 und diese Temperatur nderungen des piezoelektrischen Moduls ds und der Dielektrizit tskonstante er sich teilweise gegenseitig kompensieren siehe Gleichung 4 5 Deshalb ist f r einen Druckw chter der so aufgebaut ist dass das Ausgangssignal durch die piezoelektrischen Koeffi zienten gsn und nicht durch die piezoelektrischen Module ds bestimmt ist zu erwar ten dass sein
183. rt steigt die Ausgangsspannung um einen Faktor 8 9 f r 50 kPa Druckbelastung und um einen Faktor 5 f r 200 kPa Druckbelastung 4 200 kPa 3 150 kPa 100 kPa 2 50 kPa 14 50 30 10 10 30 50 70 90 Temperatur C Spannung V Abb 8 13 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors mit einem Ladungsverst rker im Temperaturbereich von 40 bis 80 TC 96 Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur von Drucksensoren mit Span nungsverst rker und Widerstandsspannungsteiler Schaltung 2 Wenn ein PVDF Drucksensor mit einem Spannungsverst rker und Widerstandsspan nungsteiler verwendet wird wird die mit der PVDF Folie erzeugte und mit dem Widerstandsspannungsteiler reduzierte elektrische Spannung gemessen Die Aus gangsspannung des Verst rkers kann mit Gleichung 5 5 berechnet werden Nach dem Einsetzen von Gleichungen 7 13 4 3 und 4 5 in Gleichung 5 5 ergibt sich R t AP R E D e 2 _ A 3 Lh 23 835 2V 833 A 833 AP 8 19 R R 4 P BA 1232 31 32 33 2 833 Aus Gleichung 8 19 folgt dass die Temperaturabh ngigkeit des Ausgangssignals durch die Temperaturabh ngigkeit der Piezospannungskonstanten gsn N 1 2 3 und durch die Temperaturabh ngigkeit des Elastizit tsmoduls E bestimmt ist Die Querempfindlichkeit eines PVDF Drucksensors mit Spannungsverst rker und Widerstandsspannungsteiler gegen ber der Temperatur ist in Abb 8 14 dargestellt Die Abh ngigkeit der Ausgangsspannung von der
184. rt wird keine oder eine nur sehr kleine Ausgangs spannung erzeugt vgl Kapitel 7 4 2 Die PVDF Folie kann nicht nur durch das Medium sondern auch durch Infrarotstrah lung erw rmt werden PVDF Folien sind gegen ber Infrarotstrahlung mit Wellenl n gen von 7 bis 20 um empfindlich MSI99 W hrend der Erw rmung mit Infrarotstrah lung erzeugen PVDF Folien elektrische Ladungen Aus oben genannten Gr nden es ist erforderlich Drucksensoren aus PVDF Folien mit zus tzlichen Komponenten f r die Temperaturkompensation zu versehen vgl Kapitel 7 4 2 7 5 und 7 6 und vor Infrarotstrahlung zu sch tzen Besonderes sorgfallig m ssen Druckw chter f r die Messung von Druckschwankungen bei niedrigen Frequenzen lt 0 01 bis 1 Hz entworfen werden damit langsame Anderungen der Umgebungstemperatur keine Messfehler verursachen 4 2 Thermische Stabilit t von PVDF Folien 4 2 1 Thermische Stabilit t der piezoelektrischen Eigenschaften Die thermische Stabilit t von polarisierten PVDF und Copolymer Folien h ngt von der Herstellungstechnologie dieser Folien ab Deshalb haben PVDF und Copolymer Folien von verschiedenen Herstellern unterschiedliche thermische Stabilit t 16 Es gibt zwei sehr wichtige Temperaturen f r PVDF und seine Copolymere und im Allgemeinen f r alle thermoplastischen Polymere Die Glas bergangs und die Schmelztemperatur Die Glas bergangstemperatur f r PVDF liegt bei 42 C Bei der Unterschreitung der Glas b
185. s Drucksensors wird als Verh ltnis der Ausgangsspannung zum Druck am Eingang des Drucksensors definiert Die Empfindlichkeit von im Rah men dieser Arbeit hergestellten Drucksensoren betrug von 10 bis 30 uV Pa Die Empfindlichkeit von PVDF Drucksensoren kann durch Verst rkung weiter vergr ert werden 8 2 6 Maximale Ausgangsspannung Die maximale Ausgangsspannung von PVDF Drucksensoren kann mit Gleichung 7 14 berechnet werden Die Ausgangsspannung eines mit 100 kPa belasteten PVDF Drucksensors mit einem Durchmesser der Sensorfolie von 4 mm kann ca 70 V erreichen siehe Kapitel 7 2 1 Diese Ausgangsspannung ist zu hoch und muss reduziert werden bevor sie mit konventionellen Operationsverst rkern verst rkt wird In den hier beschriebenen Experimenten war die Ausgangsspannung bei maximaler Druckbelastung geringer als 10 V Dar ber hinaus wird auch ein Ladungsverst rker benutzt Die gemessene Ausgangsspannung und die Ausgangsladung eines PVDF Drucksensors entsprechen den in Kapitel 7 2 1 berechneten Werten 8 2 7 Ausgangsspannung ohne Druckdifferenz Die Ausgangsspannung von PVDF Drucksensoren ohne Druck nderung wird durch das Rauschen des Messverst rkers elektromagnetische St rungen Temperatur n derungen und die Einwirkung von Infrarot Strahlung auf den Sensor bestimmt Bei den meisten Experimenten liegt die Ausgangsspannung der Drucksensoren ohne Druckbelastung unter 0 01 V und betr gt normalerweise weniger als 0 2 der Aus gangs
186. s Ventil wieder geschlossen wird Auf diese Weise kann neben dem Schalten des Ventils auch berwacht werden ob das Ventil wieder verschlossen wird ohne dass sich das Steuersignal f r das Ventil ge ndert h tte dies k nnte einerseits durch ein Versagen des Ventils und andererseits durch eine pl tzlich 78 auftretende Verstopfung etwa durch Partikel die in einer Fl ssigkeit mitgef hrt werden zustande kommen Steuersignal 1 Ti T4 Steuersignal 2 Ti T2 T3 Abb 7 9 Steuersignale f r die elektronischen Schaltungen f r Druckw chter auf der Basis von PVDF Folien Auf hnliche Weise kann auch berwacht werden ob das Ventil w hrend der Zeit in der es geschlossen sein soll wirklich geschlossen bleibt Dazu sollte die piezoelektrische PVDF Folie nach jedem beabsichtigten Schlie en des Ventils und dem Verstreichen der Messzeit 7 f r eine kurze Zeit t2 T kurzgeschlossen werden damit sichergestellt ist dass die berwachung des geschlossenen Ventilzustands nicht durch das vorangegangene beabsichtigte Schlie en beeintr chtigt wird Ebenso ist es m glich vor der berpr fung jedes Schaltvorganges der durch einen Wechsel im Steuersignal f r das Ventil ausgel st wird die PVDF Folie f r eine kurze Zeit ta kurzzuschlie en So wird sichergestellt dass es zu keiner berlagerung von nderungen der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden der PVDF Folie die auftreten w hrend das Ventil ge ffnet bzw geschlos
187. s um die 10 Messgenauig keit erreichen zu k nnen die Temperatur mit einer Genauigkeit von 3 5 C ge messen werden muss Viele kosteng nstige Temperatursensoren haben diese Messgenauigkeit Im zweiten Fall kann die erforderliche Messgenauigkeit des Temperatursensors aus Abbildung 4 5 bestimmt werden In Abbildung 4 5 ndert sich der Piezospannungs konstante g3 um ca 10 bei einer Temperatur nderung von ca 15 C Daraus folgt dass die Temperatur mit einer Genauigkeit von 15 C gemessen werden muss um 10 Messgenauigkeit erreichen zu k nnen Die nderung des Elastizit tsmodul mit der Temperatur ist viel geringer als die nderung der piezoelektrischen Module und sie geht in die entgegen gesetzte Rich tung siehe Abbildung 4 12 und Gleichungen 7 13 7 14 Deshalb darf die Mess genauigkeit des Temperatursensors geringer sein als oben berechnet ist Messgenauigkeit f r dynamische Temperatur nderungen Wie schon oben erw hnt wurde soll die Temperaturausgleichszeit des Temperatur sensors genauso gro sein wie diejenige der druckmessenden PVDF Folie Das ist wichtig weil nur in diesen Fall eine zufrieden stellende Kompensation erreicht werden kann Da die PVDF Folie pyroelektrische Eigenschaften hat muss die Tem peratur am Anfang und am Ende der Druckmessung gemessen werden um den durch die Temperatur nderung hervorgerufenen Messfehler zu korrigieren In Kapitel 7 4 2 wurde schon berechnet dass f r den in Abbildun
188. s verantwortlich Bihl90 Nalw91 Tash81 Um PVDF mit Kris tallen der B Phase zu erzeugen muss es w hrend der Herstellung mechanisch gezogen werden Darg06 Die Copolymere von PVDF kristallisieren direkt in die polare B Phase und es ist nicht notwendig sie w hrend der Herstellung zu ziehen Abbildung 4 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine polarisierte PVDF Folie quer zur Oberfl che Abb 4 1 Modellvorstellung zur Piezoelektrizit t in PVDF Die Kristallite sind als Ellipsoide dargestellt Die Pfeile stellen die Orientierung der Dipolmomente quer zu den Ketten dar Die Kristallite sind in einer weichen amorphen Umgebung eingebettet Auf den Elektroden sitzen Kompensationsladungen aus Bihl90 Kristallite mit orientierten Dipolen liegen in einer amorphen Umgebung gleichm ig verteilt Die nderung der Volumendichte der permanent orientierten Dipolmomente bei Dimensions nderungen der Probe unter u erem Druck bzw Zug stellt den Hauptbeitrag zum Piezoeffekt in PVDF dar PVDF ist ferroelektrisch das hei t dass dieses Material direkt nach der Herstellung noch nicht piezoelektrisch ist sondern erst durch das Anlegen einer gro en elektri schen Feldst rke von ca 50 100 MV m polarisiert und damit piezoelektrisch wird Dies ist eine gewisse Analogie zu ferromagnetischen Materialien die auch erst magnetisiert werden m ssen bevor sie als Dauermagnete eingesetzt werden k nnen Die Bezeichnung ferroelektrisch geh
189. sen ist und nderungen die beim Schaltvorgang auftreten kommt Die Zeit t4 muss in diesem Fall viel k rzer sein als die Schaltzeit des Ventils So kann z B eine Zeit 73 die kleiner ist als 1 ms verwendet werden wenn die Schaltzeit des Ventils 10 ms oder mehr betr gt Auch die oben erw hnte Zeit t braucht nur 1 ms oder weniger zu betragen 8 Test der Drucksensoren 8 1 Ermittlung der Kennlinie des PVDF Drucksensors Die Kennlinie eines PVDF Drucksensors wird mit Hilfe des in Kapitel 5 1 dargestell ten Pr fstands gemessen Die Messung wird in folgender Weise durchgef hrt Druckluft wird dem PVDF Drucksensor durch ein Schnellschaltventil zugef hrt Dadurch steigt der Relativdruck auf den Drucksensor von 0 auf P kPa innerhalb von 15 bis 40 ms Wegen der Druckbelastung erzeugt der PVDF Drucksensor eine Aus gangsspannung Diese Ausgangsspannung wird 256 oder 1000 mal pro Sekunde gemessen und im PC gespeichert Das Schnellschaltventil wird 300 ms ge ffnet Danach wird es geschlossen und der Relativdruck am PVDF Drucksensor sinkt wieder von P auf 0 kPa Danach wird ein neuer Druck P im System eingestellt und das Schnellschaltventil wird wieder f r die Dauer von 300 ms ge ffnet Die Aus gangsspannung des PVDF Drucksensors wird bei allen Dr cken zwischen 0 und 200 kPa in 10 kPa Intervallen gemessen 8 1 1 Signalauswertung Abbildung 8 1 zeigt eine bersicht der errechneten Auswertegr en anhand des ge messenen Signals von PVDF
190. sen werden k nnen weil der Messeffekt bei dieser Anordnung geringer ausf llt vgl Kapitel 7 2 4 7 2 Berechnung eines Druckw chters aus PVDF Folien 7 2 1 Berechnung von Ausgangsspannung und Ausgangsladung Zuerst werden einige Gleichungen zusammengestellt die f r die Berechnung des Drucksensors notwendig sind Die elektrische Ladung auf den Oberfl chen der PVDF Folie kann mit Gleichung 7 1 berechnet werden Gleichung 7 1 wird aus Gleichung 4 2 hergeleitet 2 Q A did3 O Ay d33 03 7 1 n l Wenn der Stromkreis zwischen den Kontakten auf Ober und Unterseite der PVDF Folie offen ist kann die elektrische Spannung zwischen den beiden elektrischen Kontakten Uo mit folgender Gleichung berechnet werden 2 Ai dn O A d33 O3 n l See NA 7 2 Gri Er E A t Q a Co Cpvor Die Gleichungen 7 1 und 7 2 gelten fur PVDF Folien aller Formen inklusive kreisf r miger und rechteckiger Folien Im Folgenden wird f r den Fall dass die Folie sehr d nn ist im Vergleich zu ihrer Auslenkung die mechanische Spannung in einer PVDF Folie berechnet die durch eine Druckdifferenz entsteht die auf die ganze Fl che der PVDF Folie wirkt Aus Scho98 ergeben sich unter der Voraussetzung dass die Folie isotrop ist folgende Gleichungen bez glich der durch die Dehnung der Folie hervorgerufenen mechani schen Spannung op der radialen Dehnung e der Folie und dem Druck AP der auf die PVDF Folie wirkt E Opn E 7 3 D R 1 v
191. spannung bei maximaler Druckbelastung 8 2 8 Einfluss verschiedener St rgr en auf das Messsignal Einfluss von elektromagnetischen St rungen EMI Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein ungeschirmter PVDF Drucksensor mit einem ungeschirmten Sensorkabel und Verst rker im Labor mit mehreren elektrischen Ge r ten getestet Die Analyse des Sensorsignals ergab dass das Sensorsignal eine St rung mit einer Frequenz von 50 Hz und ca 30 mV Amplitude beinhaltet Die Amplitude der St rung betr gt ca 1 der maximalen Amplitude des Ausgangssig nals Die 50 Hz St rung erh hte sich wenn neben dem Drucksensor ein elektrisches 90 Ger t arbeitete Z B f hrte das Fotografieren des Drucksensors ohne Blitz Licht aus 2 bis 5 cm Entfernung zur Erh hung der St rung auf 150 mV Elektromagnetische St rungen k nnen durch die Abschirmung des Drucksensors und seiner elektro nischen Schaltungen oder durch die Filterung des Messsignals reduziert werden Bei anderen Messverfahren wie z B Dehnungsmessstreifen ist das Ausgangssignal we sentlich kleiner als bei den hier untersuchten Piezofolien Deshalb ist bei anderen Messverfahren in der Regel eine Abschirmung unvermeidlich Einfluss der Infrarot Strahlung von warmen Objekten PVDF hat neben piezoelektrischen auch starke pyroelektrische Eigenschaften und erzeugt eine Ausgangsspannung wenn es erw rmt oder abgek hlt wird PVDF ist auch auf Infrarot Strahlung mit Wellenl ngen von 7 bis 20 um empfindlich
192. ssure Switch Sensor Device Japan Patent Number JP2005127950 Publication Date 19 05 2005 Kurtz A D et al Pressure Transducer and Switch Combination US Patent Number US6545610 Assignee Kulite Semiconductor Products Publication Date 8 04 2003 Kurt A D et al Solid state electronic pressure switch US Patent Number US 2005 01 74247 A1 Publication Date 11 08 2005 LabVIEW Help Programmhilfe LabVIEW V8 0 2006 S Lanceros M ndez J F Mano A M Costa V H Schmidt FTIR and DSC Studies of Mechanically Deformed B VDF Films Journal of Macromolecular Science Physics 40 3 4 pp 517 527 2001 S Lanceros M ndez M V Moreira J F Mano V H Schmidt G Bohannan Dielectric behavior in an oriented B PVDF film and chain reorientation upon transverse mechanical deformation Ferroelectrics 273 pp 15 20 2002 A Linares J L Acosta Polym Boll 36 1996 241 A Linares J L Acosta Eur Polym J 4 1997 467 Z Liu P Mar chal R Jer me Polymer 38 1997 4925 Lum P Greenstein M Grossman C Szabo T L High Frequency Membrane Hydrophone HPL 95 78 Report 1995 Lum P Greenstein M Verdonk E D Grossman C Jr Szabo T L A 150 MHz Bandwidth Membrane Hydrophone for Acoustic Field Characterization HP Journal Online Volume 49 Issue 3 August 1998 Makita Takeo Hirata Kazuo Takashi Koichi Hashimoto Mikio Micro Pressure Switch Japan Patent Number JP2087433 Applicant Mano03
193. st06 liefert ein digitales Signal ber seinen Schaltungszustand zur ck das in ein analoges Signal zwischen 0 V und 5 V gewandelt wird Das Ventil ist geschlossen wenn das analoge Signal 0 V betr gt und das Ventil ist ge ffnet wenn das analoge Signal gleich 5 V ist Das Schnellschaltventil mit Schnellschaltelektronik hat eine Ein Ausschaltzeit von 2 3 ms bzw 3 ms Der Temperatursensor S3 Temperatursensor PT100 misst die Lufttemperatur druckseitig unmittelbar vor der Sensormembran des PVDF Sensors Er dient indirekt der Temperaturkontrolle der Membran Bedingt durch eine Kompensationselektronik 1 Full Scale Output Signal bei maximalen Betriebsdruck 32 besitzt der PT100 Sensor eine lineare Kennlinie Eine Signal nderung von 1 mV repr sentiert eine Temperatur nderung von 1 K 5 1 3 Ansteuerung des Pr fstands Das Mess und Steuersystem des Pr fstands besteht aus folgenden Komponenten Verst rker f r den Temperatursensor S3 Verst rker f r das Ausgangssignal des PVDF Sensors digitale elektronische Schaltung f r die Kommunikation mit dem Drucksensor S1 Uber die RS 232 Schnittstelle Messkarte NI PCI 6052E NIO6 Ventilverst rker Computer und Steuerungssoftware Der Aufbau des Mess und Steuersystems des Pr fstands ist schematisch in Abbildung 5 3 dargestellt Mit punktierten Linien sind digitale Signale und mit durchgezogenen Linien sind analoge Signale dargestellt Die Messkarte NI PCI 6052E hat 16 analoge Eing nge
194. stand beim Erreichen einer vorgegebenen Druckschwelle schlagartig ndern Dazu m sste das Polymer bis dicht oberhalb der Perkulationsschwelle gef llt sein Die Perkulationsschwelle ist diejenige Konzentra tion an leitf higem Bestandteil bei der das Polymer anf ngt leitf hig zu werden Bei einer gen gend gro en Dehnung verlieren die leitf higen Bestandteile den Kontakt zu einander und der elektrische Widerstand steigt sehr stark Um die Kosten f r die Herstellung von Drucksensoren zu senken k nnten in Zukunft Drucksensoren vollst ndig aus Polymeren hergestellt werden Dabei k nnten Sen sorelement Sensorgeh use und Sensorelektronik aus Polymeren hergestellt wer den Die Forschung in Polymerelektronik entwickelt sich in den letzten Jahren sehr rasant und es ist zu erwarten dass in der nahen Zukunft marktf hige mikroelektroni sche Komponenten hergestellt werden Polymerdrucksensoren k nnten dann unter Umst nden zusammen mit solchen mikroelektronischen Komponenten in einem Her stellungsschritt kosteng nstig gefertigt werden 10 Literaturverzeichnis acou atla buer ensi good plas zeus AIRM99 Arsh00 Arsh05 Arsh06a ArshO6b Aya97 Baad89 Barb03 Website http www acoustics co uk PVdFproperties pdf Stand 21 November 2006 Website http www atlasmin com products ccm data_sheets 4 5002 8 00 pdf Stand 21 November 2006 Website http www buerkle de eng d
195. stellt werden Die r umliche Temperaturabweichung betr gt bei 70 C 0 7 C und bei 150 C 1 8 C Die zeitliche Temperaturabweichung betr gt weniger als 0 3 C Bind04 Der Klimaschrank VCL 4010 ist in Kapitel 5 1 6 beschrieben PVDF Folie und Geh use k nnen auf folgende Weisen getempert werden 1 PVDF Folie und Geh use werden getrennt in einen Ofen gelegt und dort getempert 2 Der PVDF Druckwachter PVDF Gehause mit der PVDF Folie sind zusam mengebaut wird in den Ofen gelegt und dort getempert 3 Der PVDF Druckw chter wird in den Ofen gelegt mit Druckluft belastet und getempert 45 Durch das Tempern ohne Druckbelastung Fall 1 sinken die piezoelektrischen Ko effizienten der PVDF Folie auf bestimmte Werte Die PVDF Folie schrumpft und wird kleiner als vor dem Tempern siehe Kapitel 4 2 Die piezoelektrischen Koeffizienten der PVDF Folie und die Abmessungen der PVDF Folie ndern sich nach dem Tempern im gesamten Arbeitstemperaturbereich nicht mehr Das Geh use des PVDF Druckw chters kann seine Abmessungen w hrend des Temperns durch den Abbau von inneren mechanischen Spannungen ndern Nach dem Tempern tritt dieser Prozess im ganzen Arbeitstemperaturbereich dann nicht mehr auf und hat deshalb keinen Einfluss auf die Funktion des Sensors Wenn ein PVDF Druckw chter PVDF Folie ist ins Geh use eingebaut getempert wird Fall 2 k nnen mechanische Spannungen in der Folie andere Werte haben als wenn der Druckw
196. t auf diese Analogie zur ck 14 Genauso wie ferromagnetische Materialien haben auch ferroelektrische Materialien eine Curietemperatur oberhalb derer der Piezoeffekt verschwindet und nach dem Abk hlen durch eine neuerliche Polarisation erst wiederhergestellt werden muss Den Zusammenhang zwischen mechanischer Spannungsbeanspruchung und er zeugter elektrischer Ladung stellt der piezoelektrische Modul d3 her Gleichungen 4 1 4 2 Wegen der stark anisotropen Eigenschaften von PVDF Folien m ssen die elektrischen und mechanischen Eigenschaften richtungsabh ngig betrachtet werden Abbildung 4 2 Der erste Index des piezoelektrischen Moduls benennt die Richtung in der die Elektroden angebracht sind Mit dem Index 3 wird die w hrend des Herstellungsprozesses festgelegte Polarisationsrichtung bezeichnet Bei Folien steht die Polarisationsrichtung aus praktischen Gr nden fast immer senkrecht zur Folien oberfl che Der zweite Index bezieht sich auf die betrachtete Koordinatenrichtung in der eine mechanische Spannung oder Dehnung entsteht bzw aufgebracht wird THICKNESS WIDTH 2 Direction of the orientation of molecules of the polar B phase 4 LENGTH Abb 4 2 Richtungskonvention f r PVDF Filme MSI99 Die Ladungsdichte auf der Oberflache der PVDF Folie kann mit folgender Gleichung berechnet werden Q D3 lt dy o 4 1 n Mit Gleichung 4 1 ergibt sich f r die erzeugte Gesamtladung Q auf der PVDF Fo
197. tbreite Ls der Schwei stelle kann deshalb mit folgender Gleichung abgesch tzt werden _ F 509 S D oy 2 9 10 50 10 F A P 8 MPa m 20 25 10 8 10 N 509 N 6 1 0 36 mm 6 2 Die Durchmesser der Schwei zone mit dem Draht betr gt D Ls Dy 0 36 0 2 0 56 mm 6 3 Das hei t dass die Temperatur w hrend des Schwei ens auf 190 um Entfer nung vom Heizdraht hoch genug sein muss um PVDF zum Schmelzen zu bringen 6 4 4 Untersuchung der Schwei stelle Nachdem der Berstdruck des Geh uses gemessen wurde wurden die Ober und Unterteile des Druckw chters von einander getrennt Die Schwei zone wurde unter dem optischen Mikroskop untersucht Objektiv und Okularvergr erung betrug 5x bzw 10x Die Bilder wurden mit einer Kamera aufgenommen Die Bildgr e betr gt ca 3x4 mm In Abb 6 12 links ist das PVDF Geh use mit der Schwei zone dargestellt Abb 6 12 rechts zeigt die Schwei naht zusammen mit einen St ck 200 um dickem Schwei draht Die Breite der Schwei zone in der das PVDF vollst ndig verschmolzen ist betr gt ca 0 5 mm was dem berechneten Wert 0 56 mm sehr nahe kommt Der Heizdraht wird w hrend des Schwei ens in das PVDF Geh use gepresst wobei die auslaufende PVDF Schmelze sich in der N he der Schwei zone sammelt und chemische Verbindungen mit dem festen PVDF des Geh uses bildet unvollst ndig verschwei t Obwohl diese chemischen Verbindungen nicht so stark wie in einheit lichem PVDF s
198. tel 7 2 2 berechneten Berstdruckes t 92 AP nae 2 loy 0 8 12 8 2 2 Linearit t Die Linearit t der Kennlinie von PVDF Drucksensoren h ngt von der Temperatur und der Vorbehandlung der PVDF Folie ab In Abbildung 8 4 sind die Kennlinien eines PVDF Drucksensors bei 40 C 20 C und 90 C zusammen mit ihren Ausgleichs geraden AG dargestellt In dem getesteten Drucksensor wurde eine neue 28 um dicke piezoelektrische PVDF Folie mit Silbertintenbeschichtung verwendet Der Durchmesser der Sensorfl che betr gt 4 mm Als Verst rker wurde ein Spannungs verst rker mit einem parallel zur PVDF Folie angeschlossenen Kondensator mit 3 3 nF verwendet Wie in Abbildung 8 4 gezeigt ist der Linearit tsfehler bei niedrigen Temperaturen minimal Er steigt bei mittleren und sinkt bei hohen Temperaturen wieder 20 C 3 I 90 C P 2 5 em fa si A 14 40 C 0 0 100 200 Druck kPa Abb 8 4 Kennlinien eines Drucksensors mit einer neuen PVDF Folie zusammen mit ihren Ausgleichsgeraden bei 40 C 20 CT und 90 Die Linearit tsfehler berechnen sich aus Abbildung 8 4 mit Hilfe der Gleichung 8 11 zu max s PVDF ist P ref Sag P ref 100 1 5 Fal rel 40 c F L rel 20 C 7 6 n F L rel 90 C 4 2 n Die Linearit t der Kennlinie ndert sich mit der Temperatur weil die piezoelektri schen und mechanischen Eigenschaften der PVDF Folie druckabh
199. ten langen Test traten keine Luftblasen aus dem Drucksensor aus Tests bei Dr cken ber 0 7 MPa wurden nicht durchgef hrt weil die hierf r ben tigte Apparatur zu diesem Zeitpunkt nicht zur Verf gung stand Um die Qualit t der Schwei stelle bei h heren Drucken zu testen wurde die PVDF Folie durch eine 3 7 mm dicke PVDF Platte ersetzt Der Berstdruck des Geh uses wurde mit Hilfe einer hydraulischen Handpumpe und eines Manometers im Institut f r fluidtechnische Antriebe und Steuerungen IFAS der RWTH Aachen gemessen Der Durchmesser des Geh uses betrug 12 mm der Durchmesser des Schwei rings be trug D2 9 mm Der Berstdruck des Drucksensors betrug 8 MPa Dieser Berstdruck liegt ber dem im Lastenheft dargestellten Wert von 5 MPa Es ist denkbar dass sich der Berstdruck durch die Optimierung des Schwei vorganges weiter erh hen l sst 51 6 4 3 Berechnung der Breite der Schwei stelle Im Folgenden wird berechnet wie breit die Schwei naht des oben genannten Druck w chters sein muss um 8 MPa Druckdifferenz aushalten zu k nnen Der Durchmesser der kreisf rmigen Fl che auf welcher der Druck wirkt betr gt D gt 9 mm Die Streckfestigkeit von PVDF betr gt ca oy 50 MPa Tabelle 11 1 Die Kraft welche auf den Druckw chter wirkt kann mit folgender Gleichung berechnet werden 2Di ZO mm Die Fl che der Schwei zone muss mindestens so gro sein dass die Streckfestig keit nicht berschritten wird Die Mindes
200. truktur der Folie von MSI aus die bei der Herstellung einachsig gestreckt wurde Eine Belastung der 25 um dicken PVDF Folie mit 0 7 MPa f hrt schon bei Raumtem peratur und wenigen Sekunden Druckbelastung zu optisch sichtbarem Kriechen W hrend des Kriechens ndern sich die piezoelektrischen und mechanischen Eigen schaften der Folie was zur Anderung der Sensorkennlinie f hrt Messungen der Kennlinie nach 10 s langer Druckbelastung haben gezeigt dass sie um ca 15 sinkt gemessen bei 0 1 MPa Nach 10 Minuten Druckbelastung sinkt die Kennlinie um ca 30 Deshalb darf der PVDF Drucksensor nicht mit 0 7 MPa belastet wer den Die oben beschriebenen Experimente haben gezeigt dass eine kurzzeitige Belastung von PVDF Drucksensoren mit 0 5 MPa bei Raumtemperatur zu einer Anderung der Sensorkennlinie f hrt die vom Lastenheft zugelassen ist Damit sich die Kennlinie durch das Anlegen eines Druckes nicht mehr ver ndert als es vom Lastenheft her zugelassen ist sollte der maximal erlaubte Druck f r oben beschrie benen Drucksensor auf 0 5 MPa begrenzt werden Die Experimente haben gezeigt dass bei Raumtemperatur mehrere Millionen Druckbelastungen ohne Anderung der Kennlinie m glich sind wenn die Druckbe lastung f r den ersten oben beschriebenen Drucksensor auf 0 1 MPa beschr nkt 84 bleibt siehe Kapitel 8 5 1 Somit betr gt die experimentell ermittelte maximale Dauerbelastung f r PVDF Drucksensoren ungef hr ein f nftel des in Kapi
201. tteln Medien Verwendbar f r Gase und Fl ssigkeiten Ausgangssignal Digital z B TTL CMOS oder ein anderer Standard Lebensdauer bei zyklischer Belastung gt 10 Schaltzyklen 30 C 10 Lebensdauer bei statischer Belastung gt 10 Jahre 30 C 10 Lagerzeit gt 15 Jahre Preis lt 5 auch f r kleine St ckzahlen Gr e lt 5x5x5 mm Zun chst wurden die auf dem Markt erh ltlichen Druckw chter und Drucksensoren analysiert und ihre technischen Parameter mit dem oben dargestellten Lastenheft verglichen Die vorhandenen Druckw chter erf llen nicht die Anforderungen des Lastenheftes und k nnen auch nicht mit geringem Aufwand so verbessert werden dass die Anforderungen des Lastenheftes erf llt werden Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau von Drucksensoren aus Polyme ren als viel versprechend eingesch tzt weil dadurch ein gutes chemisches Verhalten und ein geringer Preis erreicht werden k nnen Unterschiedliche piezoresistive und piezoelektrische Polymere wurden verglichen Das Polymer PVDF wurde dann als aussichtsreichste L sung f r die experimentelle Erprobung ausgew hlt weil PVDF starke piezoelektrische und sehr gute chemische und mechanische Eigenschaften hat Im Folgenden wurden die Eigenschaften der PVDF Folien untersucht aus welchen die Druckw chter hergestellt wurden Es wurde ein Konzept f r Druckw chter ent wickelt Das Konzept f r den Druckw
202. uchen in Ethylacetat 98 102 Es kann sich nicht nur die Amplitude sondern auch die Form des Ausgangssignals ndern In Abb 8 19 ist die Form des Ausgangssignals vor und nach dem Eintau chen in Ethylacetat dargestellt Ein Drucksensor mit solchem Ausgangssignal kann f r die Ventil berwachung nicht verwendet werden Das Eintauchen von PVDF Folie in Acetonitril f hrt zur Absenkung ihres elektrischen Widerstands Deshalb kann ein solcher Drucksensor nur f r die Messung von schnellen Druck nderungen benutzt werden Das Eintauchen von PVDF Folie in Wasser Ethanol Tetrahydrofuran Chloroform Trichlorethylen und Schwefels ure f hrt zu einer Anderung der Form des Ausgangssignals die im geforderten Toleranzrahmen von 10 liegt In Abb 8 20 ist das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors vor und nach dem Eintauchen der PVDF Folie in Schwefels ure dargestellt 2 2 gt 1 2 2 2 D gt gt oO amp Q Q D 0 4 4 15 9 04 1 5 Zeit s Zeit s Abb 8 19 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors vor links und nach dem einw chigen Eintauchen in Ethylacetat 98 rechts ao D gt 1 6 D D Z gt gt Cc Cc Cc Cc 4 19 GB 0 2 a 0 2 0 1 5 0 1 5 Zeit s Zeit s Abb 8 20 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors vor links und nach dem einw chigen Eintauchen in Schwefels ure 95 97 rechts Aus oben dargestellten Experimenten folgt dass einige Chemikalien die mechani schen und oder pie
203. ucksensor mit dieser Schaltung wird ca 20 30 C geringer ausfallen als f r Drucksensoren mit anderen Schaltungen weil der elektri sche Widerstand von PVDF Folien bei hohen Temperaturen sinkt Querempfindlichkeit gegen ber der Temperatur von Drucksensoren mit Span nungsverst rker und Kapazit tsspannungsteiler Schaltung 3 Wenn ein PVDF Drucksensor mit einem Spannungsverst rker mit Kapazit tsspan nungsteiler eingesetzt wird wird die mit der PVDF Folie erzeugte und mit der parallel zur PVDF Folie angeschlossenen Kapazit t reduzierte elektrische Spannung gemes sen Die Ausgangsspannung des Verst rkers kann mit Gleichung 7 2 oder Gleichung 7 14 berechnet werden AP R E A 3 Ll dx da 2 Vda A da3 AP n 1 Are ey 31 32 35 2 433 a Ep E A C 7 3 t Aus Gleichung 7 14 folgt dass die Temperaturabhangigkeit des Ausgangssignals durch die Temperaturabhangigkeit der piezoelektrischen Module d n N 1 2 3 des Elastizitatsmoduls E und der Dielektrizitatskonstante bestimmt ist Die Querempfindlichkeit eines PVDF Drucksensors mit Spannungsverstarker und Kapazit tsspannungsteiler gegen ber der Temperatur ist in Abb 8 15 dargestellt 200 kPa 3 E 150 kPa 2 4 100 kPa 50 kPa 0 T T T T T T l 50 30 10 10 30 50 70 90 Temperatur C Spannung V Abb 8 15 Ausgangsspannung eines PVDF Drucksensors mit einem Spannungsverst rker und Kapazit tsspannungsteiler im Temperaturbereich von
204. umatischen System Der Resonanzfrequenz des In Abbildung 8 11 dargestellten Systems kann mit Glei chung 8 16 berechnet werden F r T 25 C Cru 346 3 m s Lup _ 346 3 1 2 kHz 2L 2 0145 Das Ausgangssignal des PVDF Drucksensors und des Referenzdrucksensors nach dem Einschalten des Ventils ist in Abbildung 8 12 dargestellt Zum Zeitpunkt r O wird die elektrische Spannung an das Schnellschalventil angelegt Die Schaltzeit von Schnellschaltventilen mit Schnellschaltelektronik betr gt ca 2 3 ms Fest06 Nach dieser Zeit wird das Schnellschaltventil zu 80 ge ffnet Der Druck im System betr gt 110 kPa Wie in Abbildung 8 12 dargestellt ist dem Ausgangssignal des PVDF Drucksensors in den ersten Millisekunden nach dem Anlegen der Druckbelastung eine Schwingung mit einer Frequenz von ca 1 2 kHz berlagert Diese Schwingung des Ausgangssignals ist durch die Vibration der Lufts ule verursacht Das Ausgangssignal des Referenzdrucksensors zeigt diese 93 Schwingungen nicht Das kann daran liegen dass der Referenzdrucksensor wegen seiner st rkeren D mpfung schnelle Druck nderungen nicht erfassen kann In Abbildung 8 12 ist gezeigt dass die Vibration der Lufts ule in den ersten Milli sekunden nach dem Offnen des Schaltventils besonderes gro ist Sie wird ged mpft und verschwindet nach einigen Millisekunden 100 PVDF Sensor Referenzsensor x x oO 2 a 10 9 2 4 6 8 10 Zeit ms Abb
205. und Mittelwert vergli chen mit den Anfangswerten bei Druckbeaufschlagung S b Imax S Siem 1 8 2 A S in 1 8 3 Die Auswertegr en werden im Kennliniendiagramm aufgetragen siehe Kapi tel 8 1 2 80 Referenzdrucksensor PVDF Schnellschaltventil Signal Ss2 jaus max Ss2 Referenzdrucksensor S2 Sa Sensor Ss2 dein 1 max Spvor Zeit Index Jaus Abb 8 1 Auswertegr en der Signalauswertung Auswahl 8 1 2 Kennlinien Im Kennliniendiagramm wird das Ausgangssignal des zu testenden PVDF Sensors ber dem Signal des Referenzdrucksensors S2 aufgetragen Die Aussagen ber die Kennlinie des PVDF Sensors sind dabei abh ngig von der Genauigkeit und Qualit t des Referenzsignals Um Verf lschungen diesbez glich zu minimierten wird vor den Messungen eine Kalibrierung des Referenzsensors durchgef hrt siehe Kapitel 5 1 5 Im Kennliniendiagramm werden aus der Signalauswertung ermittelte Gr en aufgetragen Das Signal des Referenzdrucksensors wurde w hrend des Kalibriervorgangs bei nicht vorhandener Druckdifferenz auf ein 0 kPa Ausgangssignal abgebildet Bei dem um einen konstanten Wert schwankendem Signal des Referenzdrucksensors wird die Mittelungsgr e aus Gleichung 8 1 als Abszissenwert im Sensordiagramm ver wendet Beim PVDF Sensor berlagern sich Signalauf und abbau Gleichzeitig gibt es keine zuverl ssige Nulllini
206. ung 4 7 dargestellt Wie man sieht wird der 20 Piezomodul d32 mit zunehmender Frequenz gr er und diese Zunahme ist umso ausgepr gter je h her die Temperatur ist Die Vorspannungsabh ngigkeit der Dielektrizit tszahl wurde in Schu91 untersucht Die Dielektrizit tszahl nimmt mit zunehmender Vorspannung zu und weist Relaxa tionseffekte auf Abb 4 8 2 x ch 32 x T 250K OT 300K T 320K T 350K Ki 100 s 1000 Ww Abb 4 7 Frequenzabh ngigkeit der Piezokonstanten d32 f r verschiedene Temperaturen o 20 MPa nach Schu91 m O 3MPa a O 30MPa a 51MPa 01 1 10 00s 1000 1 Uj Abb 4 8 Die Dispersion der dielektrischen Konstanten e zeigt eine deutliche Abh ngigkeit von der mechanischen Vorspannung o T 292 K nach Schu91 Die Relaxation der piezoelektrischen Module und der Dielektrizit tszahl bedeutet f r einen Druckw chter dass bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen eines Ventils das Ausgangssignal des Druckw chters unterschiedlich sein kann Dieser Unterschied ist umso gr er je h her die Temperatur ist 4 3 3 Temperaturabh ngigkeit der Kapazit t der PVDF Folie Die Kapazit t einer PVDF Folie kann mit Gleichung 4 3 berechnet werden Die Tem peraturabh ngigkeit der Kapazit t von 28 um und 6 um dicken piezoelektrischen 21 PVDF Folien wurde bei Srama et al untersucht Sram04 Es wurde festgestellt dass die Kapazit t von PVDF Folien sich seh
207. unktionsprinzip des Thermoschwei ens ist in Abb 6 10 dargestellt Der Luftdruck wird auf 200 kPa eingestellt Danach wird der 200 um dicke Heizdraht aus Konstantan mit einem Stromimpuls mit einer Dauer von ca 66 ms und einer Amplitude von 5 A bis 10 A erhitzt W hrend der Erhitzung des Heizdrahtes entsteht eine Oxidschicht auf der Drahtoberfl che Diese Oxidschicht hat einen sehr hohen elektrischen Widerstand und wirkt daher als ein sehr guter Isolator Um eine dickere Oxidschicht zu bilden kann ein h herer Strom oder eine l ngere Impulsdauer benutzt werden bzw der Heizdraht kann mit mehreren nacheinander folgenden Stromimpulsen erhitzt werden Danach wird mit dem Heizdraht eine Schlaufe gebildet siehe Abb 6 11 die so auf das Unterteil des Geh uses gelegt wird dass der Draht auf den zu verschwei enden Bereich zu liegen kommt An der Stelle wo sich der Draht kreuzt entsteht kein Kurzschluss weil der Draht mit der isolierenden Oxidschicht bedeckt ist Danach werden die einzelnen Komponenten des Druckw chters wie es in Abb 6 10 dargestellt ist auf einander gelegt 49 m IL Presse Il Geh use a e Nee 111111112 BS NIIII SSSSS Sow wv MQ qu Silberdraht il 74 TT en p St tzfl che Silberdraht Elektroden Piezoelektrische St tzloch PVDF Folie y Abb 6 10 Funkt
208. ur bekannten Druckw chter Dar ber hinaus werden unterschiedliche Konzepte f r Druckwachter verglichen und ein geeignetes Konzept auf Basis einer piezoelektrischen PVDF Folie als Sensorelement ausgew hlt Der Stand der Forschung bei Drucksensoren aus PVDF Folien wird dargestellt In Kapitel 4 werden die physikalischen Eigenschaften von PVDF Folien im Hinblick auf ihre Verwendung in Druckw chtern beschrieben Kapitel 5 stellt die Messaufbauten zum Testen der Drucksensoren dar Im Kapitel 6 wird die Verfahrensentwicklung zur Fertigung der Druckw chter auf der Basis von PVDF Folien beschrieben In Kapitel 7 wird die Entwicklung des Designs von Druckw chtern auf der Basis von PVDF Folien pr sentiert und die technischen Parameter von PVDF Druckw chtern werden berechnet Die mit den in Kapitel 5 beschriebenen Messaufbauten gemessenen technischen Parameter Kennlinie Messgenauigkeit Temperatur und Feuchtigkeitsabh ngigkeit Alterungsverhalten usw von Druckw chtern werden in Kapitel 8 dargestellt Dar ber hinaus werden die Integration von PVDF Druckw chtern in pneumatische Ventile und die Zustands berwachung von pneumatischen Ventilen mit Hilfe der PVDF Druckw chter beschrieben 2 Prinzipien der Ventil berwachung mit Hilfe von Druckw chtern 2 1 Alterung und Ausfall von Ventilen Um die Notwendigkeit der Ventil berwachung aufzuzeigen werden im Folgenden Daten ber Ventilausf lle in Betrieben unter realen Arbeitsbedingungen darg
209. uren als auch dynamische Temperatur nderungen messen Die Messung von statischen Tempera turen kann aufgrund der nderung der Kapazit t der PVDF Folie mit der Temperatur realisiert werden siehe Abbildung 4 9 Die Messung von dynamischen Temperatur nderungen kann aufgrund der pyroelektrischen Eigenschaften der PVDF Folie reali siert werden siehe Kapitel 4 1 2 Die Dicke der PVDF Folie sollte so gew hlt werden dass die Temperaturausgleichs zeit der temperaturmessenden PVDF Folie gleich derjenigen der druckmessenden PVDF Folie ist Messung von statischen Temperaturen Die Abh ngigkeit der Kapazit t einer PVDF Folie von der Temperatur ist in Abbildung 4 9 dargestellt Sie h ngt nichtlinear von der Temperatur ab Aus Abbildung 4 9 folgt dass die Messung der Kapazit t mit 1 Messgenauigkeit im ung nstigsten Fall im Temperaturbereich von 40 C bis 80 C einer Temperaturmessgenauigkeit von ca 3 5 C entspricht Diese Temperaturmessgenauigkeit ist ausreichend um die Druck messgenauigkeit von 10 zu erreichen siehe Kapitel 7 5 1 Es ist aber nicht einfach in einen Temperaturbereich von 40 C bis 80 C die Messelektronik wird auch diesen Temperaturen ausgesetzt eine Messgenauigkeit von 1 zu errei chen weil die Kapazit t der PVDF Folie nichtlinear von der Temperatur abh ngt und weil die Werte von Widerst nden und anderen elektronischen Elementen sich in diesem Temperaturbereich stark ndern Deshalb erscheint e
210. usgangsspannung des PVDF Drucksensors bei oben beschrie benem Experiment dargestellt Der Drucksensor wird w hrend die Erhitzung 10 mal mit Druckluft beaufschlagt Die Druckbelastungen dauern 300 ms Der Druck f r jede Druckbelastung steigt von 10 bis auf 100 kPa mit 10 kPa Schritten Die in diesem Experiment durch die Temperatur nderung erzeugte elektrische Span nung ist ungef hr genauso gro wie die durch maximale Druckbelastung erzeugte elektrische Spannung Die durch die Temperatur nderung verursachte elektrische Spannung ndert sich mit einer maximalen Rate von 0 04 mV ms Um die im Lastenheft angeforderten 10 Messgenauigkeit zu erreichen muss sich die durch Druck nderung verursachte Spannung mindestens 10 mal schneller ndern Die in den Experimenten durch die Druck nderung verursachte elektrische Spannung n dert sich mit einer Rate von ca 100 mV ms sie ist unterschiedlich beim unterschied lichen Dr cken Deshalb k nnen solche schnellen Druck nderungen mit ausreichen der Messgenauigkeit gemessen werden Wenn die durch die Druck nderung hervor gerufene elektrische Spannung sich mit einer Rate von weniger als 0 4 mV ms n derte dann wurde die im Lastenheft geforderte Messgenauigkeit nicht erreicht 91 Spannung V 50 100 Zeit s Abb 8 10 Ausgangssignal eines PVDF Drucksensors bei steigenden Druckbelastungen von 10 kPa bis 100 kPa Die Druckbelastungen dauern jeweils 300 ms Der Drucksensor wir
211. weil der Druck in der vorhandene Druckluftversorgung auf 1 2 MPa begrenzt war In Kapitel 7 2 2 wurde der Berstdruck vom ersten oben dargestellten Sensor zu 0 53 MPa berechnet Dass der reale Berstdruck mehr als doppelt so gro ist wie der theoretisch berechne te liegt unter Umst nden daran dass die PVDF Folie anisotrop ist und der Berst druck mit der Gleichung f r isotrope Folien berechnet wurde Anderseits es ist be kannt dass es bei Festigkeitsuntersuchungen sehr starke Schwankungen der Mess ergebnisse gibt Untersuchungen von PVDF Folien haben gezeigt dass die 28 um dicke einachsig gestreckte PVDF Folie viel weniger durch Kriechen deformiert wurde als die 25 um dicke zweiachsig gestreckte PVDF Folie W hrend des Kriechens sinkt auch das Ausgangssignal der PVDF Folie Nach ca 10 Minuten Belastung mit 0 5 MPa sinkt das Ausgangssignal eines Drucksensor mit 28 um dicker Folie um ca 3 gemes sen bei 0 1 MPa wobei das Ausgangssignal eines Drucksensor mit einer 25 um dicken Folie um ca 10 sinkt Der Unterschied in der Dicke der beiden PVDF Foli en ist relativ gering die erste PVDF Folie ist ca 12 dicker als die zweite und kann ihr geringeres Kriechen nicht erkl ren Eine gewisse Rolle k nnte die dickere Metall beschichtung der ersten PVDF Folie gespielt haben Die erste Folie ist zusammen mit der Metallbeschichtung ca 16 dicker als die zweite Folie inklusive Metallbe schichtung Sehr wahrscheinlich wirkte sich die innere S
212. werden Schaltung 1 Ladungsverst rker Das Schaltbild des Ladungsverst rkers ist in Abbildung 5 5 dargestellt Die Aus gangsspannung des Ladungsverst rkers ist proportional zur Ladung auf der PVDF Folie Die Ausgangsspannung kann mit folgender Gleichung berechnet werden De 5 4 Hier ist Q die elektrische Ladung auf der PVDF Folie Die Ladung Q kann mit Gleichung 4 2 berechnet werden Co betr gt 3 3 nF Der Messbereich der PCI 6052E Karte ist auf 10 V eingestellt Ua zur NI PCI 6052E er 15V Abb 5 5 Ladungsverst rker f r den PVDF Sensor Schaltung 2 Spannungsverst rker mit Widerstandsspannungsteiler Das Schaltbild eines Spannungsverstarkers mit einem Widerstandsspannungsteiler ist in Abbildung 5 6 dargestellt Der Soannungsverstarker hat den Verstarkungsfaktor 1 er wird nur fur die Stromverstarkung benutzt Das Ausgangssignal des Verstarkers kann mit folgender Gleichung berechnet werden Q R U 5 5 Cpvpr R R Der Widerstand R betr gt 9 10 Q und Widerstand R betr gt 10 Q Der Widerstand des Operationsverst rkers betr gt 10 Q er ist viel gr er als Ra und wird deshalb vernachl ssigt Der Messbereich der PCI 6052E Karte ist auf 10 V eingestellt 37 OPA2137 15V Ua zur NI PCI 6052E 15V Abb 5 6 Spannungsverstarker mit Widerstandsspannungsteiler fur den PVDF Sensor Schaltung 3 Spannungsverstarker mit Kapazitatsspannungsteiler Das Schaltbild eines Sp
213. wre 7 51 C 8 Die Konstante ks kann aus Gleichung 7 42 berechnet werden k lt Q son max 7 52 To 66 Q soll max fo SaaS Sass 2 a 5 Soll Signal ze pa N E g E 2 8 in O Z L Qistmax ude Sete Ist Signal 0 To Zeit Abb 7 5 Verlauf der elektrischen Ladung auf einer PVDF Folie mit der Zeit mit RC Glied schwarz und ohne RC Glied braun Aus den Gleichungen 7 50 7 51 und 7 52 kann der absolute Messfehler berechnet werden AQ S soil nas lr RC uke Q soll max a en 7 53 To To gy Snes SAC fiagni Usa SAC fige 7 54 C To To Aus Gleichungen 7 53 und 7 54 kann der relative Messfehler berechnen werden A AU RC 3 pe A ei BO Re 7 55 Q soll max U soll max To Die Abh ngigkeit des relativen Messfehlers von der Zeit des Druckanstiegs 7 ist in Abbildung 7 6 links und die Abh ngigkeit des relativen Messfehlers vom Widerstand R rechts dargestellt Aus Gleichung 7 55 folgt dass die maximale elektrische Ladung und die entspre chende elektrische Spannung auf der PVDF Folie vom Widerstand R und der Schalt zeit u abh ngen angenommen C konst Je kleiner der Widerstand R und je gr er die Schaltzeit To ist desto kleiner sind die Ausgangsladung und die entspre chende Ausgangsspannung und desto gr er ist der Messfehler Laut Lastenheft darf der relative Messfehler nicht gr er als 10 werden Damit folgt aus Gleichung 7 55
214. y M Landgraf D Linkert G Linkert F Lura J A M McDonnell D M hlmann G E Morfill M M ller M Roy G Sch fer G Schlotzhauer G H Schwehm F Spahn M St big J Svestka V Tschernjawski A J Tuzzolino R W sch H A Zook The Cassini Cosmic Dust Analyzer Space Sci Rev 114 465 518 2004 Stannett V The transport of gases in synthetic polymeric membranes An historic perspective J Membr Sci 1978 3 97 115 Eric C Suloff Sorption Behavior of an Aliphatic Series of Aldehydes in the Presence of Poly Ethylene Terephthalate Blends Containing Aldehyde Scavenging Agents PhD Dissertation Virginia Polytechnic Institute and State University Blacksburg Virginia 21 November 2002 Swanson Cal T Lewandowski Simon J Chassaing Charles E Sleva Michael Z Thin film piezoelectric polymer sensor Applicant Medacoustics Inc US Patent No US 6261237 B1 Publication Date 17 July 2001 J W Sy J Mijovic Macromolecules 33 2000 933 Tasaka S and Miyata S Ferroelectrics 32 1 17 23 1981 K Tashiro H Tadokoro and M Kobayashi Structure and piezoelectricity of poly vinylidene fluoride Ferroelectrics 32 167 175 1981 H R Tr nkler Taschenbuch der Messtechnik Oldenbourg 1992 The U S Market for Pressure Switches Venture Development Corporation Technology Market Researchers and Strategists Since 1971 One Apple Hill Drive Suite 206 Box 8190 Natick MA 01760 December 2001 A
215. zoelektrischen Eigenschaften von PVDF Folie insoweit ver ndern k nnen dass die Folien nicht mehr f r den Einsatz in Drucksensoren geeignet sind Es ist zu vermuten dass PVDF Drucksensoren auch in vielen anderen Chemikalien verwendet werden k nnen Bevor ein Drucksensor mit einer Chemikalie verwendet wird muss er mit dieser Chemikalie vorbehandelt und danach f r diese Chemikalie kalibriert werden weil die Versuche gezeigt haben dass sich die Kennlinie unter dem Einfluss der Chemikalie ndern kann Das langfristige Verhalten von PVDF Folien bei direktem Kontakt mit unterschiedlichen Fl ssigkeiten und Dr cken konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht untersucht werden Es ist denkbar dass eine PVDF Folie die sich f r lange Zeit unter Druck in einer Fl ssigkeit befindet die Fl ssigkeit absorbiert und deswegen ihre mechanischen Eigenschaften Dielektrizit tskonstante und piezoelektrische Module st rker als in oben beschriebenen Experimenten ver ndert Deshalb wenn Drucksensoren mit aggressiven Chemikalien eingesetzt werden 103 sollen ist es notwendig das langfristige Verhalten von PVDF Folien in diesen Chemikalien unter eine Druckbelastung zu untersuchen 8 4 Messung quasistatischer Druck nderungen Wenn auch eine allm hliche Verstopfung eines Ventils erkannt werden soll ist es notwendig mit Drucksensoren sich langsam ndernde Dr cke zu messen Deshalb ist es w nschenswert dass der hier zu entwickelnde Drucksensor

&bdquo;Entwicklung von Druckwächtern für die Ventilüberwachung aus

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