Datenerfassung in rauer Umgebung: Zuverlässige Tests für robuste Anwendungen

Robust gegen Feuchtigkeit, Kälte oder Vibration – ultra-robuste Messtechnik wird in rauer Umgebung eingesetzt, mit dem Anspruch trotz widriger Umgebungsbedingungen präzise Messergebnisse zu liefern. Um dies zu garantieren, müssen solche Datenerfassungsgeräte vorab ausgiebig getestet werden. Am Beispiel der neuen robusten QuantumX-Module möchten wir Ihnen die entsprechenden Testverfahren genauer vorstellen.

Die neuen QuantumX-Module lassen sich als ultrarobuste Messverstärker bezeichnen. Doch wie werden bei solchen Geräten, die für Anwendungen in unwegsamem Gelände, bei Wind und Wetter ausgelegt sind, Langzeit-Betriebsfestigkeit und Präzision garantiert? 

Auf den ersten Blick mögen ein gekapseltes Metallgehäuse und stabile Steckverbinder ausreichend erscheinen, damit ein Datenerfassungssystem (DAQ-System) solchen Anforderungen gerecht wird. Die Herausforderung bei der Entwicklung der ultrarobusten QuantumX-Module bestand jedoch vielmehr darin, die Zielanwendungen, wie z. B. den mobilen oder stationären Einsatz in der Bauindustrie, der Schifffahrt oder Landwirtschaft und die spezifischen Umgebungsbedingungen zu untersuchen.

In enger Zusammenarbeit mit Anwendern hat HBM typische Belastungsprofile erfasst und kategorisiert, um auf dieser Basis eine Reihe von Filtern zur Optimierung der Datenqualität zu entwickeln. Solche Belastungsprofile bestehen aus Amplituden und Frequenzen, die über einen bestimmten Zeitraum erfasst wurden und die Datenerfassung unterschiedlich beeinflussen.

Zuverlässigkeit ist das A und O

HBM hat auch zielgerichtete Umgebungsprüfungen durchgeführt, bei denen physikalisch belastende Situationen simuliert werden, um die Zuverlässigkeit seiner Datenerfassungsmodule für Anwendungen in rauen Umgebungen sicherzustellen. Die Entwicklung standardisierter Prüfungen ist ein wesentlicher Aspekt der Arbeit von HBM, da diese standardisierten Prüfungen ein außerordentlich wertvolles Feedback geben, inwieweit ein Modul reproduzierbare Ergebnisse liefern kann.

Die Module von HBM müssen während der Bewältigung definierter Bedingungen voll funktionsfähig bleiben. Hierzu gehört beispielsweise die Fähigkeit, trotz Fehlern und Störungen wie Chipbruch, Rissen im Gehäuse (Popcorn-Effekt), Drahtbrüchen und sich während der Tests lösender Drahtkontakte weiterhin die Messaufgaben zu erfüllen. Anschließend wurden alle Module für eine zusätzliche Sichtprüfung von Gehäuse, Platine, Teilen, Leitungen und Dichtungen geöffnet.

Viele dieser Zuverlässigkeitstests wurden im eigenen akkreditierten Labor für Umgebungsprüfungen von HBM durchgeführt. Dieses Labor ist mit einer Klimakammer, einem elektromechanischen Stoß- und Schwingungssystem, Wasserbecken und Prüfvorrichtungen für elektromagnetische Störungen (EMI) ausgestattet. Für zusätzliche Leistungskontrollen wurden darüber hinaus auch externe Prüfanlagen genutzt.

Das Feedback aus diesen Versuchen unterstützte die hochqualifizierten Ingenieuren von HBM bei der Entwicklung eines elektronischen Geräts, das den Anwendern eine optimale Lösung hinsichtlich Funktionalität, Leistung, Umgebungsparametern und Kosten bietet, indem es eine sorgfältig austarierte Balance zwischen dem technisch Möglichen und dem absolut Notwendigen hält. 

Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit

Abbildung: Versuch mit Durchschreiten des Taupunkts

Eine wichtige Konstruktionsvorgabe für die neuen, robusten QuantumX-Module war die Forderung nach einem erweiterten Umgebungstemperaturbereich von -35 bis 80 °C (-30 bis 175 °F).

Die Tests, dass die Module einwandfrei bei diesen extremen Temperaturen arbeiten können, wurden mit Klimakammern durchgeführt, die den Einfluss rasch wechselnder Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen auf die Einheiten untersuchten.Mit diesen Tests wurde die durchgängige Funktionsfähigkeit unter diesen Umgebungsbedingungen sichergestellt, sei dies beim Transport, während der Lagerung oder im Betrieb.

Mit den Thermoschockversuchen sollte die Fähigkeit der Einheit ermittelt werden, plötzlichen Temperaturänderungen standzuhalten.Dies sind die härtesten unter allen temperaturbezogenen Prüfungen, bei denen sich die Geschwindigkeit des Temperaturwechsels rasch ändert. Die Module sind für eine Änderungsgeschwindigkeit im Betrieb von 30 °C pro Minute ausgelegt. Die Prüfungen sind deshalb besonders wichtig, weil die Module in Fahrzeugtests im Winter eingesetzt werden können, bei denen sie, während sie vollständig von der Stromversorgung getrennt sind, komplett einfrieren können und nach dem Wiederherstellen der Stromversorgung wieder erwärmt werden.

Die Ingenieure von HBM simulieren die realen Bedingungen, indem sie das Modul drei Stunden lang einer Temperatur von -40 °C und danach innerhalb kurzer Zeit +85 °C aussetzen. Die Temperatur bleibt noch weitere drei Stunden auf diesem Wert, bevor sie wieder auf Umgebungs-Raumtemperatur abgesenkt wird, sodass das Modul den Taupunkt durchschreitet und sichergestellt wird, dass Wasser kondensiert, um die Auswirkungen auf das Modul zu überprüfen. Die Prüfung wird mindestens zehn Mal wiederholt.

Rütteln und Stoßen

Bei Schwingversuchen wird eine Komponente Rüttel- und Stoßbelastungen ausgesetzt. Das ist erforderlich, um festzustellen, wie die Module unter Einsatzbedingungen bei Tests in sehr unwegsamem Gelände zurechtkommen. Das Auftreten von Schäden ist am wahrscheinlichsten, wenn das Gerät mit seiner Eigen- oder Resonanzfrequenz schwingt.

Abbildung: Schwingprüfung 

Um eine maximale Überlebensfähigkeit unter Rüttelbelastungen sicherzustellen, wird das Modul in ein Rüttel- oder Schwingsystem montiert und anschließend 35 Minuten lang einem Schwingungsprofil zwischen 55 und 2000 Hz mit einer Amplitude von 5 g in allen drei Richtungsachsen ausgesetzt. Alle dabei erkannten Resonanzfrequenzen werden noch einmal weitere fünf Minuten mit einer konstanten Amplitude von 0,06 Zoll geprüft. Die niedrigeren Frequenzen von 10 bis 55 Hz werden innerhalb einer Minute durchlaufen, die Prüfungen dauern insgesamt jedoch zwei Stunden in jeder Richtung.

Abbildung: Schwingprüfung – Gleitsinus-Rüttelbelastung

Für die Stoßversuche wurde eine Amplitude von 35 g für die Einheit festgelegt. Bei dieser Prüfung wurde das Modul in ein Schwingungssystem montiert und Stoßbelastungen mit einer Amplitude von 35 g und 6 ms Dauer in allen drei Richtungsachsen ausgesetzt.

Abbildung: Prüfung von Stoßbelastungen

Schließlich wurde die Einheit auch noch einem Fallversuch aus einem Meter Höhe unterzogen. Nach dem Aufprall wurde sie auf korrekte Funktionsweise überprüft.

Eindringen von Wasser, Staub und Schmutz

Die internationalen Codes IP65 und IP67 geben klar und eindeutig die Schutzart eines Moduls gegen das Eindringen bzw. Einsickern von Fremdkörpern wie Gegenständen, Staub oder Wasser an. Die beiden Ziffern stehen für die jeweilige Schutzart: Die erste Kennziffer gibt den Grad der Beständigkeit gegen Fremdkörper und Staub an, die zweite Kennziffer den Grad der Widerstandsfähigkeit gegen das Einsickern von Wasser. Um diese Normen zu erfüllen, müssen die Einheiten den Anforderungen der Prüfverfahren entsprechen, die in der Norm DIN EN 60529 festgelegt sind.

HBM führt die Prüfungen in zwei Teilen durch. Sowohl für IP65 als auch für IP67 wird das Modul in einer hermetisch abgedichteten Staubkammer platziert, in der mittels einer Pumpe extrem feiner Talkumpuder zirkuliert. Eine Vakuumpumpe stellt sicher, dass der Druck im Modul selbst unter Atmosphärendruck liegt. Diese Prüfungen wurden erfolgreich durchgeführt, da kein Staub in die Einheit eingedrungen ist.

Für den zweiten Teil der IP65-Prüfung wurde das Modul einige Stunden lang mit einem Wasserstrahl aus einer Hochdruckdüse bespritzt, während das Modul, um IP67 zu erreichen, 24 Stunden lang einen Meter tief unter Wasser getaucht wurde. Bei beiden Prüfungen wurde kein Eindringen von Wasser festgestellt. 

Abbildung: IP-Tests – Prüfung in der Staubkammer

Abbildung: IP-Tests – Wasserstrahl aus einer Hochdruckdüse

Elektromagnetische Störungen und Störfestigkeit

Abgesehen vom möglichen Einfluss eines Schiffsradars stellen die Zielanwendungen für die neuesten robusten Module von HBM keine besonderen Anforderungen bezüglich elektromagnetischer Störungen (EMI). HBM hat Prüfungen in Bezug auf elektromagnetische Störungen gemäß EN 61326 durchgeführt. Die Einheiten erfüllen die EMV- und die Niederspannungsrichtlinie und dürfen dementsprechend das CE-Kennzeichen tragen.

Weitere Umgebungskriterien

Obgleich HBM seine robusten QuantumX-Module auf die Einhaltung äußerst strenger Anforderungen geprüft hat, gibt es noch weitere Kriterien, die für die Konstruktion oder Prüfung dieser Module als weniger wesentlich betrachtet wurden. 

Dazu gehören:

  • Unterdruck (Höhe) – Die Module sind zwar mit einer speziellen Membran ausgestattet, es wurde jedoch keine Prüfung bei Unterdruck oder im Vakuum durchgeführt.

  • Empfindlichkeit gegenüber Chemikalien, Betriebsmedien; Salz

  • Direkte Sonneneinstrahlung

  • Magnetische Effekte

  • Explosion und Entzündlichkeit 

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