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Zerbrechlich und dennoch robust

Korrosionsfeste Druckmesszellen aus Oxidkeramik
Zerbrechlich und dennoch robust

Auch in der Lebensmittelindustrie setzen sich verstärkt Druckmesszellen aus Oxidkeramik – und hier speziell solche aus Aluminiumoxid – gegen traditionelle Systeme durch. Die Gründe hierfür liegen im Wesentlichen in den sehr guten mechanischen und messtechnischen Eigenschaften. Zudem handelt es sich bei keramischen Sensoren um trockene Messzellen. Im Falle eines Membranrisses ist eine Verschmutzung der Lebensmittel mit Druckmittleröl ausgeschlossen.

Ralph Schöpflin

Seit über 15 Jahren setzt Endress+Hauser verstärkt auf keramische Messzellen. Das Unternehmen zählt heute zu den bedeutendsten Herstellern von keramischen Drucksensoren. In enger Zusammenarbeit mit den Anwendern entstehen kapazitive Keramiksensoren aus Aluminiumoxid (Al2O3) für Absolut- und Überdruckmessungen sowie Differenzdruckzellen für die DP-Messung. Die keramischen Messzellen setzt Endress + Hauser in seinen Druckmess-gerätebaureihen Cerabar und Deltabar ein.
Für hygienische Anwendungen geeignet
Selbstverständlich steht die Hygiene und somit die Sicherstellung der Produktqualität in der Lebensmittelindustrie im Vordergrund. Daher gewinnen auch die Empfehlungen der amerikanischen FDA-Behörde in Europa immer mehr an Bedeutung. Die FDA erlässt Richtlinien und erstellt Positivlisten von Komponenten, die Werkstoffe wie Elastomere u.a. enthalten dürfen. Es obliegt dann dem Hersteller der Materialien, sich an diese Positivlisten zu halten und zum Beispiel in einer Herstellererklärung zu bestätigen. Die FDA hat keramische Werkstoffe generell als unbedenklich eingestuft, sie sind damit sehr gut für hygienische Anwendungen geeignet. Die FDA empfiehlt also Materialien, erstellt aber keine Zertifikate für Messzellen. Ein dennoch wichtiges Maß für die Güte einer Messzelle ist die Oberflächenrauigkeit Ra der Keramik, die bei Endress + Hauser einen Wert von 0,3 mm nicht überschreitet. Ein weiteres entscheidendes Kriterium für die Qualität bzw. die Beständigkeit ist die Reinheit der Keramik. Wichtig ist hier vor allem die Korrosionsfestigkeit gegenüber Laugen, die häufig bei der CIP-Reinigung zum Einsatz kommen.
Die Verunreinigungen einer Al2O3-Keramik bestehen aus Sinterhilfsmitteln bzw. natürlichen Verunreinigungen an den Korngrenzen der Keramik. Diese werden durch das Korrosionsmedium, beispielsweise Natronlauge, herausgelöst. Die Folge: Ein mechanisch stark geschwächtes Al2O3-Gerüst bleibt zurück. Versuche zeigen, das die Korrosionsfestigkeit erst dann signifikant ansteigt, wenn die Reinheit der Aluminiumoxidkeramik mindestens 99,9% beträgt. Bemerkenswert ist, dass der Unterschied im Korrosionsverhalten zwischen 96 und 99,5 %iger Keramik trotz des großen Unterschieds im Al2O3-Gehalt nur unbedeutend ist. Dies lässt den Eindruck entstehen, dass alle Keramiken mit einer Reinheit von 99,9% hoch korrosionsbeständig sind. Wie jedoch die Erfahrung zeigt und wie in Versuchen nachgewiesen werden konnte, ist es von immenser Bedeutung, welcher Art die Verunreinigung in den verbleibenden 1000 ppm (0,1%) ist. So würde zum Beispiel ein SiO2-Anteil von größer 200 ppm dazu führen, dass die Beständigkeit gegen Laugen nicht mehr gewährleistet ist. Um diese Parameter zu beherrschen, arbeitet Endress + Hauser eng mit Forschungsinstituten und externen Partnern zusammen. Auf diese Weise entstehen Sensoren, die auch unter härtesten Bedingungen zuverlässig arbeiten. So verwendet das Unternehmen nur Keramikqualitäten, bei denen der SiO2-Anteil unter 100 ppm liegt. Des Weiteren sind alle Festigkeitswerte genau definiert und werden permanent überprüft.
Hohe Überlastfestigkeit
Die Überlastfestigkeit von Keramik ist naturgemäß sehr hoch, hat aber physikalische Grenzen. Sie ist in erster Linie vom Messbereich der Zelle abhängig. Denn: Unterschiedliche Messbereiche werden durch unterschiedliche Membranstärken realisiert. In Abhängig von der Membranstärke (Messbereich) und dem Abstand der Membrane zum Grundkörper verhalten sich die Keramikzellen der verschiedenen Hersteller annähernd gleich. Finden sich jetzt Keramiksensoren mit höheren Überlastfestigkeiten, so liegen diesen Berechnungen meist verschiedene Ausfallwahrscheinlichkeiten zugrunde. Um auch hier dem Anwender optimale Betriebssicherheit zu gewährleisten, gilt bei Endress + Hauser eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 0,1% für maximale Überlast. So hat eine 1-bar-Zelle beispielsweise eine Überlast von 10 bar. Würde man diese Überlast auf 35 bar erhöhen, so wäre die Ausfallwahrscheinlichkeit 10%. Das heißt: Jedes zehnte Gerät würde beim Anwender ausfallen, obwohl es innerhalb der spezifizierten Parameter eingesetzt wird.
Einbau des Sensors
Durch den Einbau des Sensors in das Druckmesssgerät darf es zu keinen Einbußen bei den Messeigenschaften kommen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe nicht zu einer Spannung am Sensor führen, aus der nicht kompensierbare Effekte wie Hysterese und Drift resultieren können. Wie empfindlich ein solcher Sensor auf Dehnung und Stauchung reagiert, lässt sich erahnen, wenn man sich vor Augen führt, dass der maximale Hub der Keramikmembrane zwischen 0,005 mm und 0,01 mm liegt. Dies bietet zwar dem Anwender den Vorteil, dass seine Messung annähernd statisch abläuft und so auch in sehr pastösen oder zur Aushärtung neigenden Medien noch sicher funktioniert, stellt aber höchste Anforderungen an die Sensoreinspannung. Ein weiteres wichtiges Element bei der Sensoreinspannung stellt die Sensordichtung dar. Sie muss nicht nur beständig gegenüber den jeweiligen Medien sein, sondern auch Überlast und Temperaturwechseln standhalten. Bei der Ermittlung der optimalen Lage der Sensordichtung und Sensorabstützung nutzt Endress + Hauser die Finite Elemente Methode (FEM). Im Wesentlichen kommen zwei Dichtungsvarianten zum Einsatz: die radiale und die axiale Dichtung. Die radiale Dichtungsmethode hat den Vorteil, dass die Membrane etwas frontbündiger zum Prozess montiert werden kann. Dennoch hat sich Endress + Hauser für die axiale Dichtungslösung entschieden, da Berechnungen zeigten, dass nur so alle Daten wie Langzeigstabilität, Temperaturverhalten etc. eingehalten werden können. Der Rückversatz der Messzelle – um die Dichtungsstärke – vom Prozessanschluss hat sich insofern als Vorteil erwiesen, da hier ein Selbstreinigungseffekt der Membrane durch kleinste Verwirbelungen beobachtet werden kann. Die volle Hygienetauglichkeit, sowohl der radialen als der axialen Dichtungslösung, wurde in zahlreichen EHEDG-Untersuchungen nachgewiesen.
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