Entwicklung von Druckwächtern für die Ventilüberwachung aus Polyvinylidenfluorid

Sirinov, Aleksandr; Schomburg, Werner Karl

doi:1859

Entwicklung von Druckwächtern für die Ventilüberwachung aus Polyvinylidenfluorid = Development of pressure switches from Polyvinylidenefluoride for the control of valves

Sirinov, Aleksandr (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Aleksandr Shirinov

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangV, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-03-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18594
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61747/files/Shirinov_Aleksandr.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Polyvinylidenfluorid (frei) ; Ventil (frei) ; Piezoelektrischer Drucksensor (frei) ; Polyvinylidenefluoride (frei) ; valve (frei) ; piezoelectric pressure sensor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden neuartige Drucksensoren für die Überwachung von pneumatischen und hydraulischen Ventilen entwickelt. Für die Ventilüberwachung muss festgestellt werden, ob ein Schaltsignal wirklich zu einer Änderung des Druckabfalls über dem Ventilsitz führt. Dazu reicht es aus, das Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Druckschwelle zu erfassen. Dabei darf der Preis des Drucksensors nur einen Bruchteil des Ventilpreises betragen. Mit dem Ziel, solche kostengünstigen Drucksensoren herzustellen, wurden unterschiedliche Konzepte für Drucksensoren erarbeitet. Der Vergleich der Konzepte führte zu dem Ergebnis, dass ein Drucksensor aus dem Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF) die beste Lösung wäre. Dabei bestehen das Sensorelement aus einer metallbeschichteten, piezoelektrischen PVDF-Folie und das Sensorgehäuse aus nicht piezoelektrischem PVDF. In der vorliegenden Arbeit werden Gleichungen hergeleitet und angegeben, mit denen sich die Kennlinien und der Einfluss von Störgrößen ungefähr vorausberechnen lassen. Da die anisotropen Eigenschaften der PVDF-Folien nur angenähert berücksichtigt werden können, erreichen diese Gleichungen nur eine beschränkte Genauigkeit, geben aber den Trend des Einflusses der untersuchten Parameter auf das Sensorverhalten richtig wieder. PVDF-Drucksensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl sehr schnelle als auch langsame Druckänderungen messen können. Die Messungen zeigen, dass Ansprechzeiten von weniger als 0,1 ms möglich sind, Literaturangaben lassen sogar nur wenige Nanosekunden möglich erscheinen. Die langsamsten Druckänderungen, die gemessen werden können, sind temperaturabhängig und können bei Raumtemperatur mehrere Minuten betragen. In den Drucksensoren wird die piezoelektrische PVDF-Folie durch eine Druckbelastung gedehnt. Durch diese Dehnung werden elektrische Ladungen auf der Oberfläche der PVDF-Folie aufgebaut. Die elektrische Ladung und die entsprechende elektrische Spannung sind proportional zum angelegten Druck und werden mit einer geeigneten elektronischen Schaltung gemessen. Mehrere PVDF-Drucksensoren wurden hergestellt und ihre Eigenschaften gemessen. Es wurden unter anderem folgende Sensorparameter ermittelt: Kennlinie, Linearität, Hysterese, Wiederholbarkeit, Auflösung, Berstdruck, Arbeitsdruckbereich, Temperatur- und Feuchtigkeitsarbeitsbereich, Querempfindlichkeit gegenüber Temperatur und Feuchtigkeit, Alterung bei konstanten und wechselnden Druckbelastungen, chemische Resistenz gegenüber starken Säuren und Lösungsmitteln. Die Vor- und Nachteile der PVDF-Drucksensoren werden dargestellt und diskutiert. Ein Demonstrator für die Überwachung von pneumatischen Ventilen wurde aufgebaut. Es wurde nachgewiesen, dass pneumatische Ventile mit Hilfe der Drucksensoren aus PVDF zuverlässig überwacht werden können. Ferner können Drucksensoren aus PVDF in einer Reihe weiterer Anwendungen verwendet werden, in denen ein geringer Preis, hohe Lebensdauer, gute Resistenz gegen Chemikalien, schnelle Ansprechzeit, ein breiter Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich und kleine Abmessungen und Gewicht gefordert sind.

Within this work novel pressure sensors for the control of pneumatic and hydraulic valves were developed. Valve control is achieved by detecting, whether the pressure drop over the valve changes after a signal for valve switching has been sent. This is achieved by detecting whether the pressure falls below or exceeds a specified threshold. Besides this, the price of the pressure sensor needs to be much less than the price of the valve. Different concepts were considered to design a low-cost pressure sensor. Comparison of these concepts resulted in the conclusion that the best solution would be to design a pressure sensor from the polymer Polyvinylidenefluoride (PVDF). In this concept the sensor element of the pressure sensor is made of a piezoelectric PVDF film and the housing is made of not piezoelectric PVDF. Equations for the calculation of the characteristic curve and the influence of external factors on the output signal of the pressure sensor are derived and presented in this work. Anisotropic properties of PVDF films could be included only approximately in these equations. That is why the equations have a limited accuracy, but they correctly describe the qualitative influence of different external factors on the characteristic curve of the sensor. PVDF pressure sensors are distinguished by the ability to measure very fast and also very slow pressure changes. Measurements show that they achieve a response time of less than 0.1 ms. According to literature, the response time can be as small as several nanoseconds. The longest time interval, in which slow pressure changes can be measured with appropriate accuracy, is temperature dependent. Slow pressure changes can be measured for several minutes at room temperature. In these pressure sensors the applied pressure stretches the piezoelectric PVDF film. This stretching produces an electrical charge at the surface of the PVDF film. The electric charge and the corresponding electric voltage, which are proportional to the applied pressure, are measured by an electronic circuit. Several PVDF pressure sensors were produced and their properties were measured. The following properties of the pressure sensors were measured amongst others: characteristic curve, linearity, hysteresis, repeatability, resolution, cracking pressure, working pressure range, working temperature and humidity ranges, temperature and humidity dependence, aging at constant and cycling pressure loads, chemical resistance to strong acids and solvents. Advantages and disadvantages of the pressure sensor are presented and discussed. Pressure sensors from PVDF can be used not only for valve control, but also in a number of other applications where low price, long service life, good resistance to chemicals, fast response time, broad working temperature and humidity ranges, small size and weight are required.

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