Ob Windkanalmessungen, Turbinentests oder Motorenprüfstände: Für all diese Messaufgaben braucht es Druckaufnehmer. Doch diese müssen den Ansprüchen der Test-Ingenieure genügen: Klein, leicht und temperaturbeständig sollen sie sein.

Wollen Ingenieure die Aerodynamik von ­Karosserien optimieren, ziehen sie Messungen im Windkanal zu Rate. Um aber ein aussagekräftiges Strömungsbild zu erhalten, müssen sie viele Druckaufnehmer applizieren. Sind diese Aufnehmer zu groß, beeinflussen sie ab einer gewissen Menge das Verhalten der Luft im Kanal. Deshalb ist es für manche Messaufgaben entscheidend, die Messtechnik zu miniaturisieren. Auch beim Testen von Getrieben und Motoren werden Drücke gemessen - nämlich innerhalb der Prüflinge, wo naturgemäß wenig Platz zur Verfügung steht. Anders als bei den niedrigen Drücken im Windkanal geht es hier um Messbereiche, die von 0 bis 1 bar, aber auch von 0 bis 500 bar reichen können. Entsprechend hoch sind hier die Anforderungen an die Robustheit und Überlastsicherheit der verwendeten Aufnehmer.

Eine Gewindebohrung - zwei Messgrößen

Solange die Mehrzahl der Autos mit Verbrennungsmotoren fährt, müssen die in Motorenprüfständen eingesetzten Messgeräte widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen sein. Althen entwickelte speziell für diesen Einsatzbereich die Druckaufnehmer-Familie EPRB. Die miniaturisierten Aufnehmer weisen einen Durchmesser von 12 Millimetern auf und wiegen zwischen 13 und 15 Gramm. Sie messen Drücke von flüssigen und gasförmigen Medien zwischen 0 bis 1 und 0 bis 350 bar mit einem kombinierten Fehler aus Nichtlinearität und Hysterese von ±0,25 Prozent vom Endwert. Der Gebrauchstemperaturbereich reicht - bei eingebautem Messverstärker - von -40 bis 150 °C. Aufgrund dieser Spezifikationen kommen die EPRB-Modelle bei Tests an Verbrennungsmotoren für Pkws, Motorräder und Rennfahrzeuge ebenso zum Einsatz wie bei der Messung von hydraulischen Drücken in Getrieben. Beim EPRB 3 ist hierfür der Temperaturfühler mit integriert. In Testumgebungen, in denen Platz Mangelware ist, können so mit nur einer Gewindebohrung zwei Messgrößen direkt im Volumenstrom gemessen werden.

Testen von Triebwerks-Turbine

Klein, leicht und Platz sparend: Diese Eigenschaften machen die Druckaufnehmer auch für die Luft- und Raumfahrttechnik attraktiv. So müssen beim Testen von Strahltriebwerks-Turbinen Sensoren zwischen der Haut des Triebwerks und der Brennkammer angebracht werden. Hier überzeugen die EPRB-Geräte durch ihre Kompaktheit und ihre ­Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze.
Während die EPRB-Familie die Messung von Druck und - je nach Ausführung - auch der Temperatur ermöglicht, erlauben Druckaufnehmer der Reihe XP, ähnlich klein und mit einer optionalen Schutzart von IP67 mit einer hohen Dichtigkeitsklasse ausgestattet, die Messung von Absolut- und Relativdrücken. Ein Temperaturfühler kann auch hier bei Bedarf integriert werden. Diese Geräte können aufgrund ihrer Edelstahlkonstruktion in ­korrosiven Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Dies qualifiziert sie über den Prüfstandbereich hinaus für eine Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Energieerzeugung, beispielsweise in Gas-Turbinen. Bei Temperaturen bis 220 °C arbeiten auch sie mit einem Gesamtfehler zwischen 0,25 und 0,5 Prozent der Mess-Spanne. Im Unterschied zu den piezoresistiven EPRB-Sensoren basiert die XP-Familie jedoch auf Metallfolien-Dehnmessstreifen. Diese sind mit einer Wheatstone-Messbrücke versehen, was eine hohe Temperaturbelastbarkeit mit sich bringt.

Geringer Nullpunkt-Offset

Temperaturdrift ist aber nicht der einzige Faktor, der die Messgenauigkeit in Automotive-Tests beeinträchtigen kann. Bei der Messung von Drücken in Mikropumpen und Ventilen, etwa in Motoren, Getrieben oder Bremsen, muss auch die Torsion berücksichtigt werden. Das Anzugsmoment, das bei der Installation auf den Druckaufnehmer wirkt, kann einen Nullpunkt-Offset am Sensor bewirken, der die Messergebnisse beeinträchtigt. Die Konstruktion der XP-Druckaufnehmer wirkt dem entgegen: Durch mechanische Entkopplung minimiert sie den Einfluss des Torsionsmoments auf den Sensor. Dadurch verfügt die XP-Familie über einen für ihre Klasse geringen Nullpunkt-Offset.
Auch Druckaufnehmer im Design von XP5 oder XPC10 bieten neben ihren Einsatzmöglichkeiten im Automotive-Bereich interessante Perspektiven für die Luft- und Raumfahrt­industrie, beispielsweise am Fahrwerk: Beim Aus- und Einfahren entscheiden Sekundenbruchteile über die Sicherheit des Flugzeugs und seiner Insassen. Entsprechend intensiv muss die Hydraulik getestet werden. XPC10-Druckaufnehmer bieten für solche Tests mehrere Vorteile. Neben der Immunität gegen Torsion sind dies vor allem die schnelle Ansprechzeit und die Frontmembran-Konstruk­tion des Aufnehmers. Letztere erlaubt ein leichtes, luftblasenfreies Befüllen des Systems. Dies ist für das exakte Funktionieren eines hydraulischen Systems entscheidend, da jede Luftblase bei schnellen Druckwechseln der Bildung von Kavitationen Vorschub leistet.

Rotorkopf eines Helikopters schmieren

Dies gilt auch für andere Getriebe und Lager im Aerospace-Bereich. So muss beispielsweise bei Helikoptern der obere Teil des ­Rotorkopfs permanent geschmiert werden, um reibungslos zu funktionieren. Aufgrund der Fliehkraft durch die Rotation ist dies ein verlustbehafteter Prozess, bei dem kontinuierlich kleine Mengen Öl zugeführt werden. Dies wird durch einen bestimmten Systemdruck bewerkstelligt, der permanent überwacht werden muss. Hier eignet sich ein Druckaufnehmer, der sich auch von hohen Drehmomenten nicht beeindrucken lässt.

Fazit

Obwohl die Aufgabenstellungen von Kon­struk­teuren in der Automotive- und der ­Aerospace-Industrie sich im Großen unterscheiden, gibt es im Detail oft verblüffende Ähnlichkeiten. Das gilt vor allem beim Testen, wo immer wieder dieselben Messgrößen erfasst werden müssen, jedoch in unterschiedlichsten Zusammenhängen. Weil die Automotive-Branche in Deutschland besonders breit aufgestellt ist, können Messtechnikanbieter, die für Automobilhersteller und deren Zulieferer arbeiten, nicht nur auf geeignete Produkte, sondern auch auf fundierte Erfahrungen in der Entwicklung von kundenspezifischen Testszenarien zurückgreifen. Durch die richtige Auswahl ihres Messtechnik-Lieferanten können Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtbranche von diesem in Jahrzehnten gewachsenen Know-how profitieren.