Die Hochdruckmesstechnik entwickelt sich stets weiter – so auch das Design der Hochdruckaufnehmer von HBM. Was macht die Aufnehmer so besonders? Hochdruckaufnehmer von HBM sind mit einem monolithisch aufgebauten Messkörper ausgestattet, bei dem die elektro-mechanische Umsetzung des Signals mittels Folien-DMS* realisiert wird. Diese Konstruktion hat sich im Laufe der Jahre bewährt und darüber hinaus zum Standard in der Hochdruckmesstechnik entwickelt. Der monolithische Aufbau des Messkörpers besitzt sehr gute Messeigenschaften und zeichnet sich durch ausgezeichnete Genauigkeit, Robustheit und Stabilität aus.

Um die Wirtschaftlichkeit der Prozesse zu erhöhen, werden die Prozessdrücke in den entsprechenden Hochdruck-Applikationen weiter gesteigert. So sorgt zum Beispiel ein höherer Druck beim Wasserstrahlschneiden dafür, dass größere Schnittdicken realisiert werden und die Schneidgeschwindigkeit entscheidend erhöht wird. Aktuell liegt das Druckniveau bei dieser Technologie zwischen 4000 und 6000 bar. Die damit einhergehenden stetig steigenden Anforderungen an maximalen Druck, Überlastfestigkeit und insbesondere Genauigkeit haben zur kontinuierlichen und konsequenten Weiterentwicklung der Hochdruckmesstechnik geführt.

1. Messprinzip

Bei Druckaufnehmern werden die DMS auf metallische Federkörper appliziert. Der Federkörper wird mechanisch nur im elastischen Bereich (Hookesche Gerade) durch den Druck verformt.   

Bei Folien-DMS wird die Messgitterlänge l auf die gemessene Längenänderung ΔL bezogen. Das bedeutet, dass ein DMS eine Dehnungsintegration über die Messgitterlänge vornimmt. Um ein möglichst hohes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, wird der DMS im Bereich der größten positiven und negativen Dehnung bzw. Spannung appliziert, siehe Abb. 1.



Abb. 1: Integration des Dehnungsverlaufes

Durch die exakte Kenntnis des Dehnungsverlaufes und der Dehnungsverteilung können Messgitterform, Messgitterlage und Messgitterlänge des DMS in optimaler Weise an die Geometrie des Messkörpers angepasst werden. So lässt sich der Messkörper für Hochdruckanwendungen in allen Belangen optimieren, da erst im letzten Schritt der DMS  appliziert wird. Hinsichtlich des Messkörperdesigns ergeben sich keinerlei konstruktive Einschränkungen. Darüber hinaus lässt sich mit der optimierten Messkörpergeometrie eine Dehnungsverteilung erzeugen, die nur sehr geringe Dehnungsgradienten aufweist - ein echtes Plus hinsichtlich Robustheit und Wechsellastfähigkeit.

Wird der Widerstand einzelner DMS durch Druckbelastung geringfügig verändert, so entsteht eine deutlich messbare Ausgangsspannung. Je nach Messbereich ergeben sich unterschiedlich hohe Ausgangssignale, die auch als Empfindlichkeit bezeichnet werden. Durch die Verschaltung der DMS in eine Wheatstone-Brücke lassen sich die Dehnungsbeträge addieren. Ein typischer Nennkennwert bei Druckaufnehmern bis 2500 bar mit Folien-DMS-Technologie beträgt 2 mV/V.

Messkörper und Dehnungsmessstreifen stellen die beiden wesentlichen Elemente für die Umwandlung des Druckes in ein elektrisches Signal dar. Der Federkörper wird durch den anliegenden Druck verformt. Ein Dehnungsmessstreifen erfasst anschließend die entstandene Oberflächendehnung. Letztendlich wandelt die Wheatstonesche-Brücke die Widerstandsänderung des DMS in eine proportionale Spannungsänderung um, die dann in einem nachgeschalteten Messverstärker weiterverarbeitet wird, vgl. Abb.2.


Abb. 2: Prinzipieller Aufbau einer Messkette

2. Monolithisches Messkörper-Design

2.1 Einfluss auf die Lebensdauer bzw. Dauerschwingfestigkeit

Neben der Genauigkeit spielt insbesondere die Lebensdauer bei dynamischer Belastung und somit die Auslegung des Messkörpers in der Hochdruckmesstechnik eine entscheidende Rolle.

Für gängige Stähle, welche im Aufnehmerbau verwendet werden, liegt die dynamische Belastbarkeit für Dauerschwingfestigkeit bei ca. 600 MPa, was einer Druckbelastung von ca. 6000 bar entspricht. Drucktragende Teile, welche einer „schwellenden Belastung“ von 600-700 MPa ausgesetzt sind, können damit keine Dauerfestigkeit aufweisen, vgl. Abb. 3. Durch geeignete Maßnahmen, auf die im Folgenden eingegangen wird, ist es jedoch möglich, die Dauerschwingfestigkeit zu optimieren und somit die Lebensdauer zu maximieren.


 
Abb.3: Festigkeit bei Schwingbeanspruchung mittels Wöhlerdiagramm


    • Kurzzeitfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen N < 10³ Lastwechseln eine Schädigung (Bruch) auftritt
    • Zeitfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen 10³ < N < 106 Lastwechseln eine Schädigung (Bruch) auftritt
    • Dauerfestigkeit: Spannungsamplituden bei denen beliebig viele Lastwechsel nicht zur Schädigung (Bruch) führen, 2 x 106 ≥ N ≥ 107

    Günstige konstruktive Maßnahmen sowie die Wahl der Nachbehandlung des Messkörpers können dessen Dauerschwingverhalten positiv beeinflussen und somit die Lebensdauer erhöhen. Folgende Einflussgrößen sind vorhanden:

    • Art der Schwingbeanspruchung
    • Umgebungseinfluss
    • Werkstoff und Werkstoffzustand
    • Messkörpergeometrie

    2.2 Art der Schwingbeanspruchung / Umgebungseinfluss

    Die Art der Schwingbeanspruchung ist i. d. R. anwendungsbedingt gekennzeichnet durch schwellende bzw. wechselnde Belastung und kann damit kaum bzw. nicht beeinflusst werden. Umgebungseinflüsse wie erhöhte Temperatur wirken sich auf die Schwingfestigkeit, wie analog auf andere Festigkeitskenngrößen, negativ aus. Korrosive Medien beeinträchtigen das Dauerschwingverhalten ebenfalls negativ und führen zum Wegfall des horizontalen Astes der Wöhlerkurve (vgl. Abb.3). Der Dauerfestigkeitsbereich ist gekennzeichnet durch einen asymptotischen Verlauf.

    2.3 Werkstoff und Messkörperdesign

    Bei der Auswahl des Werkstoffes muss im Aufnehmerbau immer ein Kompromiss zwischen maximaler Lebensdauer bei dynamischer Belastung und den zu erzielenden messtechnischen Eigenschaften (Federkörper) eingegangen werden. Denn längst nicht alle Stähle, die aus Werkstoffsicht für den Hochdruckbereich z. B. aufgrund hoher Streckgrenze geeignet erscheinen, sind auch zwangsläufig als Messkörpermaterial prädestiniert.

    Insbesondere ungeeignete Federeigenschaften in Verbindung mit einer zu großen Hysterese führen zu einer unbrauchbaren Genauigkeit und kommen somit für den Aufnehmerbau nicht in Frage. Übliche Federwerkstoffe besitzen eine Zugfestigkeit von > 1 GPa und sind damit für den messtechnischen Einsatz im Hochdruckbereich geeignet.

    Für hohe Drücke haben sich rohrähnliche Federmesskörper als Hohlkörperausführung bewährt (vgl. Abb. 4).

     

    Abb. 4: Spannungszustand / Messkörper in Hohlkörper-Ausführung

    Im Allgemeinen werden Hochdruckaufnehmer, als „dickwandige Rohre“ ausgeführt. Bei der Auslegung ist insbesondere das spezielle Dehnungsverhalten aufgrund der ungleichen Spannungsverteilung über den Rohrquerschnitt zu beachten. Abbildung 4 zeigt, dass die Innenfaser der Druckbohrung mit ihrem dreiachsigen Spannungszustand die am höchsten belastete Stelle ist. In tangentialer Richtung (σt) tritt an der Innenfaser die größte Belastung auf. Es handelt sich dabei um Zugspannungen. Die Spannungen an der Außenfaser mit ihrem zweiachsigen Spannungszustand hingegen sind geringer.

    Da es sich an der Innenfaser um einen mehrachsigen Spannungszustand handelt, ist für die Festigkeitsbetrachtung die äquivalente Vergleichsspannung (σv) aus der Festigkeitshypothese zu betrachten und mit dem entsprechenden Werkstoffkennwert zu korrelieren. Die Druckbohrung entspricht dabei dem Durchmesser Di und der Außendurchmesser Da den Außenabmaßen des Messkörpers (vgl. Abb.4). Für die Auslegung der Hohlkörperausführung entspricht das Durchmesserverhältnis idealerweise 2-4.

    Bei Einsatz der Druckaufnehmer im Ultra-Hochdruckbereich ≥ 1 GPa, bedeutet dies nicht, dass durch die enormen Zugspannungsspitzen an der Innenfaser der Messkörper reißt. Zwar befindet sich der Rohrinnendruck an der Streckgrenze, die äußeren Randschichten des Messkörpers „tragen“ jedoch noch sehr gut. Wird der Druck nun weiter erhöht, dann wandert der Punkt an dem die Streckgrenze überschritten wird langsam nach außen. Erst wenn die Streckgrenze bis zur äußersten Schicht gewandert ist, kommt es zum Bruch. Mit einem ausgewogenen Messkörperdesign ist die Wandstärke (Da/Di) so auszulegen, dass die maximalen dynamischen Eigenschaften des verwendeten Federstahles und damit eine Maximierung der Lastwechselfähigkeit erreicht wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ab einem Druck von ca.700 MPa eine Vergrößerung der Wandstärke keinen Beitrag mehr zur Erhöhung der dynamischen Festigkeit leistet. Alle Material-Einflussfaktoren, die die Zugfestigkeit herabsetzen, wie zum Beispiel Kerben, Einschlüsse und eine hohe Rauigkeit der Oberfläche an den hochdruckbelasteten Stellen des Messkörpers, führen zu einer Herabsetzung der Zugfestigkeit und der Lebensdauer.

    Bei dem von HBM verwendeten Messkörperdesign wird der Druckraum monolithisch umschlossen. Das bedeutet, dass der Messkörper inklusive Druckanschlussstück aus dem „Vollen“, als einzelner Messkörper ohne zusätzliche Schweißnaht gefertigt wird. Das spezielle monolithische Messkörperdesign ist in allen Belangen optimiert und kommt ohne lebensdauerverkürzende schroffe Querschnittsübergänge (Kerbwirkung) und Schweißnähte aus. Schweißnähte stellen bei hohen Drücken aufgrund der hohen Kerbwirkung an der Schweißnahtwurzel ein erhebliches Risiko dar und begrenzen zudem die Anzahl der möglichen Lastzyklen, was sich negativ auf die Lebensdauer auswirkt. Das optimierte monolithische Messkörperdesign ist besonders arm an Spannungsgradienten und Spannungsspitzen. Darüber hinaus ist der Messkörper so ausgeführt, dass insbesondere in kritischer tangentialer Richtung zusätzliche Spannungen minimiert werden, was die Schwingfestigkeit positiv beeinflusst.

     


     
    Abb. 5: Unterschiedliche Messkörper in monolithischer Hohlkörper-Ausführung

    2.3.1 Kaltverfestigung durch Autofrettage

    Durch eine entsprechende Nachbehandlung des Druckmesskörpers mit der Autofrettage-Methode, kann die Schwingfestigkeit - insbesondere im Hochdruckbereich - verbessert werden. Bei diesem Prozess wird der Innendruck bis zur Fließgrenze der Innenfaser erhöht und danach allmählich weiter gesteigert. Wird der Innendruck nun auf Null entspannt, dann bleibt eine plastische Verformung in der Innenwand zurück. Die so entstandenen Eigenspannungen äußern sich in Form von Druckspannungen. Das bedeutet, dass die Zugspannungsspitze an der kritischen Innenfaser so umgewandelt wird, dass diese sich im drucklosen Zustand als negative Druckspannung ausbildet (vgl. Abb. 6).



    Abbildung 6: Schematischer Spannungsverlauf nach Autofrettage

    Wird nun der Messkörper unter Innendruck gesetzt, dann wirkt die Druckspannung der Zugspannung solange entgegen, bis sie quasi vollständig aufgebraucht ist. Im Druck-Spannungsgleichgewicht ist dann die verbleibende Spannung um den Betrag der Druckspannung vermindert. Darüber hinaus wird durch die Teil-Plastifizierung die Oberflächenrauheit auf ein Minimum reduziert. Das bedeutet, dass mit diesem Verfahren der Kaltverfestigung durch die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen die Schwingfestigkeit und somit die Lebensdauer bei dynamischer Beanspruchung erhöht werden kann. Im Zusammenhang mit dem optimierten monolithischen Messkörperdesign ohne Schweißnaht und dem Autofrettage-Prozess werden maximale Schwingfestigkeit und höchste Lebensdauer bei dynamischer Belastung erzielt.

    3. Portfolio

    Es stehen unterschiedliche HBM Druckaufnehmer für Messbereiche bis 15.000 bar zur Verfügung (vgl. Abb. 7). Die einzelnen Serien unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Bauform, Messbereiche und erreichbare Genauigkeit. Bei den Druckaufnehmern der P2V-Serie handelt es sich zum Beispiel um Druckaufnehmer mit integriertem Verstärker. Diese stellen wahlweise einen Analogausgang mit Strom oder Spannung zur Verfügung.


         
    Abb. 7: Hochdruck-Aufnehmer  

    Druckaufnehmer von HBM kommen typischerweise in Applikationen zum Einsatz, bei denen Attribute wie Lebensdauer, Robustheit und Genauigkeit im Vordergrund stehen. Die Einsatzgebiete reichen dabei über die vielfältigen Messaufgaben im Bereich der Hydraulik und des allgemeinen Maschinenbaus über den Einsatz an Prüfständen bis hin zum Referenzaufnehmer bei metrologischen Instituten.

    Typische Einsatzgebiete sind:

    • Wasserstrahlschneiden
    • Autofrettage von Komponenten
    • Hochdrucksterilisation von Lebensmitteln
    • Innenhochdruckumformen (IHU)
    • Prüfstandsanwendungen (Dieseleinspritztechnik)
    • Metrologische Institute

    4. Zusammenfassung

    Druckaufnehmer mit DMS-Technologie und monolithischem Messkörperdesign sind für die Hochdruckmesstechnik optimal geeignet. Das Folien-DMS-Prinzip ermöglicht die perfekte Auswahl und Optimierung der Messkörpergeometrie, da erst im letzten Arbeitsgang der DMS appliziert wird. Das monolithische Messkörperdesign in Verbindung mit den optimierten Fertigungsschritten und Nachbehandlung (Kaltverfestigung durch Autofrettage) bietet – neben einer sehr hohen erreichbaren Genauigkeitsklasse – eine  hohe Wechsellastfähigkeit und Lebensdauer. Alle drei Parameter sind in der Hochdruckmesstechnik wichtige und entscheidende Parameter. Die sehr robuste Ausführung und die damit verbundene lange Lebensdauer der Druckaufnehmer leisten in Hinblick auf die Ausdehnung der Standzeit in den technischen Applikationen einen wichtigen Beitrag.

    Vorteile der HBM Druckaufnehmer:

    • Sehr hohe Genauigkeit
    • Hohe Wechsellastbeständigkeit
    • Monolithischer Messkörper
    • Sehr robust
    • Statische und dynamische Drücke
    • Unempfindlich gegenüber Druckstößen

    *DMS = Dehnungsmessstreifen

     

     

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