Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sensor+Test 2017: Überwachung von Bauteilen - Hitzeresistente Ultraschallwandler

02.05.2017

Technische Systeme müssen regelmäßig auf Defekte wie Risse überprüft werden. Piezosensoren zum Messen von Druck, Kraft oder Spannung können solche Mängel zuverlässig aufspüren – allerdings bisher nur bis etwa 200 Grad Celsius. Spezielle Hochtemperatur-Piezosensoren überwachen nun erstmals auch Bauteile kontinuierlich, die bis zu 900 Grad Celsius heiß sind. Auf der Messe Sensor+Test vom 30. Mai bis 1. Juni 2017 in Nürnberg stellen Fraunhofer-Forscher ihre Entwicklung vor (Halle 5, Stand 248).

Ist ein Riss, Korrosion oder ein anderer Makel in einem Bauteil, etwa in Dampfleitungen von Kohlekraftwerken, muss es dringend repariert werden. Ultraschallsensoren, die von außen angebracht werden, können solche Fehlstellen aufspüren.


Hochtemperatur-Ultraschallwandler.

© Fraunhofer ISC

Allerdings nur dann, wenn die Bauteile nicht heißer als etwa 200 Grad Celsius sind. Denn ab dieser Temperatur verlieren konventionelle piezoelektrische Materialien ihre Funktion, die zum Bestimmen von Druck, Kraft, Spannung, Beschleunigung oder als Gassensor eingesetzt wird. Zudem versagen Kapselungen aus Kunststoffen, die nicht hitzeresistent sind.

Erste Sensoren für Hochtemperaturanwendungen

Forschern am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ist es gelungen, Piezo-Sensoren für Hochtemperaturanwendungen zu realisieren. »Unsere Sensoren haben wir bereits bei bis zu 600 Grad Celsius eingesetzt, generell sind bis zu 900 Grad Celsius möglich«, sagt Dr. Bernhard Brunner, Leiter der Applikationstechnik beim Center Smart Materials des Fraunhofer ISC.

Zudem sind die Ultraschallsensoren langzeitstabil – zwei Jahre halten sie in jedem Fall, für viele Anwendungen erwarten die Forscher eine Lebenszeit von mehreren Jahrzehnten. Das Prinzip ist das gleiche wie bei anderen Piezosensoren auch: Dieser wird von außen an das Bauteil appliziert, etwa an ein heißes Stahlrohr. Legt man nun eine elektrische Wechselspannung an den Piezokristall an, verformt dieser sich mechanisch und sendet eine Ultraschallwelle in das Material.

Der Sensor schaltet nach dem Schallpuls um auf Empfang und detektiert das Signal, das vom Bauteil zurückgeworfen wird. Üblicherweise erhält er dabei immer das gleiche Ursprungssignal. Ist jedoch ein Riss im Bauteil oder eine Stelle korrodiert, ändert dieser Defekt das zurückgeworfene Signal und weist damit auf eine Defektstelle hin. Verwendet man mehrere Wandler, die als Sender und Empfänger dienen, kann man den Ort des Fehlers sogar auf wenige Millimeter genau lokalisieren. Die Reichweite des Sensors beträgt je nach Material des Bauteils einige Meter.

Die Herausforderung bestand darin, handelsübliche Piezokristalle so aufzubauen, dass sie einen Dauereinsatz an heißen Bauteilen als Schallwandler überstehen. Problematisch ist vor allem der Klebstoff, mit dem die Sensoren umhüllt und am Bauteil befestigt werden: Er verträgt zu hohe Temperaturen nicht. »Wir verwenden daher Glaslote als Klebstoff und Gehäusematerial«, erläutert Brunner.

Nun müssen diese Gläser, die zur Gruppe der Klebstoffe gehören, jedoch nicht nur Hitze vertragen, sondern vor allem auch die Temperaturunterschiede zwischen der Raumtemperatur und der Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius. Während sich der Stahl des Bauteils beim Erhitzen sehr stark ausdehnt, verändert der Kristall seine Ausmaße nur marginal.

Das Glaslot, in das der Sensor gebettet wird, muss diese verschiedenen Ausdehnungen mitmachen und darf dabei nicht zerspringen. Die Forscher umhüllen den Sensor daher mit mehreren Schichten aus verschiedenen Glasloten, die exakt aufeinander sowie auf die Materialspezifika des Bauteils abgestimmt sind. Die entsprechenden Glaslote sowie die Prozess- und die Verarbeitungstechnik stammen ebenfalls aus dem Fraunhofer ISC. Damit die elektrischen Signalleitungen bei den hohen Einsatztemperaturen nicht korrodieren, bestehen die Zuleitungen aus Edelmetallen wie Platin.

Breite Anwendungspalette

Die Anwendungen für die Hochtemperatur-Ultraschallwandler sind zahlreich: Die Forscher können mit ihren Sensoren beispielsweise auch messen, wie viel einer heißen Flüssigkeit – etwa Öl – durch ein Rohr strömt sowie die Temperatur eines Gases oder einer Flüssigkeit berührungslos bestimmen: Während ein Fühler einige Sekunden braucht, bis er die Temperatur ermittelt hat, kommt der Ultraschallwandler innerhalb weniger Millisekunden zu dem Ergebnis. Denn er misst die Temperatur über die Schallgeschwindigkeit, die temperaturabhängig ist. Auf der Messe Sensor+Test vom 30. Mai bis 1. Juni 2017 in Nürnberg stellen die Forscher Prototypen ihrer robusten Spürnasen vor (Halle 5, Stand 248).

Weitere Informationen:

https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2017/mai/hitzeresistente...

Marie-Luise Righi | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Messenachrichten:

nachricht Auswerte-Elektronik QUADRA-CHEK 2000 von HEIDENHAIN: Zuverlässig und einfach messen
20.04.2018 | DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH

nachricht tisoware auf der Zukunft Personal Süd und Nord 2018
20.04.2018 | tisoware - Gesellschaft für Zeitwirtschaft mbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Messenachrichten >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von der Genexpression zur Mikrostruktur des Gehirns

24.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Bestrahlungserfolg bei Hirntumoren lässt sich mit kombinierter PET/MRT vorhersagen

24.04.2018 | Medizintechnik

RWI/ISL-Containerumschlag-Index auf hohem Niveau deutlich rückläufig

24.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics