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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2021

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2021

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Spannende Mission Druck- und Feuchtemessungen auf dem Mars Der Perseverance Rover ist gelandet und die Arbeit beginnt. Mit der Hilfe der eingebauten Messtechnik soll der Rover nach Spuren von vergangenem Leben auf dem roten Planeten suchen und gleichzeitig auch neue Erkenntnisse über die Erde liefern. Sensoren zur Feuchte- und Druckmessung helfen dabei, unseren Schwesterplaneten besser kennenzulernen. Am 18. Februar haben Millionen von Menschen weltweit gespannt mitverfolgt, wie der Perseverance Rover der NASA auf dem Mars gelandet ist. Nach der sieben Monate langen Reise kann er dort nun seine Arbeit beginnen. Ein Mars-Jahr ist er mindestens aktiv, das entspricht zwei Jahren auf der Erde. Perseverance untersucht die Gegend rund um das ehemalige Flussdelta im Jezero-Krater nach Spuren vergangenen Lebens. Dort, wo früher Wasser war, ist die Wahrscheinlichkeit am größten, auf derartige Spuren so stoßen. Der Rover sammelt außerdem Boden- und Gesteinsproben und verstaut diese in seinem Inneren. Sie werden von nachfolgenden Mission dann abgeholt und ausgewertet. Die Mission soll Fragen beantworten, und zwar nicht nur zum roten Planeten. Mars Liisa Åström, Vice President, Products and Systems, Vaisala Oyj, Vantaa in Finnland und Erde sind sich in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich. Beide Planeten verfügen über Eiskappen, haben eine vergleichbare Achsenneigung und Tageslänge und es gibt saisonale Schwankungen. Außerdem hat der Mars, wie die Erde, eine steinige Oberfläche, die allerdings nicht bedeckt ist von Wassermassen, Vegetation, Städten, Lebewesen und Infrastruktur. Der Mars kann also als Modell der Erde angesehen werden und uns helfen, unseren eigenen Planeten besser zu verstehen, ohne die Störfaktoren, die hier vorhanden sind. Messungen in rauer Umgebung Um Antworten auf diese Fragen zu finden, ist der Perseverance Rover mit einer Vielzahl von Messgeräten ausgestattet. Mit an Bord sind unter anderem Messgeräte von Vaisala und dem Finnish Meteorological Institute (FMI) zur Feuchte- und Druckmessung. Die Humicap- und Barocap-Sensoren wurden ursprünglich für industrielle Anwendungen entwickelt und kamen auch im Curiosity-Rover zum Einsatz, der sich seit 2012 auf dem Mars befindet. Die beiden Rover operieren etwa 2 000 km voneinander entfernt und bilden zusammen ein kleines atmosphärisches Beobachtungsnetzwerk auf einem anderen Planeten. Obwohl die Sensoren dieselben sind wie in industriellen Anwendungen, müssen sie auf dem Mars ganz besondere Umgebungsbedingungen aushalten. Die Atmosphäre ist deutlich dünner und besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid – zusätzlich herrschen Temperaturen von eisigen - 125 bis hin zu + 25 °C. Die Umgebung ist also rau und extrem und die Komponenten müssen zusätzlich Staubstürmen standhalten können, die auf dem Mars regelmäßig auf- treten. Des Weiteren kommt hinzu, dass die Sensoren nicht gewartet oder repariert werden können. Was kaputt geht, kann nicht ersetzt werden und gefährdet im schlimmsten Fall die ganze Mission. Hier zeigt sich, wie verlässlich und langlebig Vaisala-Produkte sind, denn die Curiosity-Sensoren senden immer noch zuverlässig Daten zur Erde. Die erste Herausforderung hat Perseverance ebenfalls hinter sich: Start und Landung verliefen reibungslos und alle Messgeräte sind auf Sendung. Feuchte und Druck im All und in der Industrie Die Vaisala Humicap-Sensoren wurden bereits 1973 entwickelt. Die damals weltweit ersten kapazitiven Dünnfilm-Feuchtesensoren sind mittlerweile zum Industrie- Standard geworden und wurden seither kontinuierlich weiterentwickelt. Der Sensor besteht aus einem Substrat, typischerweise Glas oder Keramik, auf dem ein dünner Polymerfilm zwischen zwei leitenden Elektroden aufgetragen ist. Die Sensoroberfläche ist mit einer porösen Metallelektrode beschichtet, um sie vor Verunreinigungen und Kondensation zu schützen. Das Dünnfilmpolymer absorbiert Wasserdampf, wenn die relative Feuchte der Umgebungstemperatur steigt und setzt ihn frei, wenn sie fällt. Die dielektrischen Eigenschaften des Polymerfilms hängen von der Menge des absorbierten Wassers ab. Diese Eigenschaften ändern sich, wenn sich die relative Feuchte um den Sensor herum ändert. Gleiches gilt für die Kapazität des Sensors: Die Elektronik des Geräts misst die Kapazität und wandelt sie in einen Feuchtemesswert um. Feuchtemessungen sind in vielen Industrien erforderlich, in denen Umgebungen 18 INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2021 www.industrielle-automation.net

01 02 kritisch überwacht werden müssen. Humicap- Sensoren kommen unter anderem bei der Trocknung von Papier und der Herstellung von Baustoffen zum Einsatz, denn die relative Feuchte ist ein guter Indikator für den Fortschritt des Trocknungsprozesses. In Reinräumen helfen die Sensoren, konstante Umgebungen zu garantieren. In der Lebensmittelindustrie werden sie dazu eingesetzt, um eine gute Qualität der Produkte sicherzustellen und in der Gebäudeautomation tragen Feuchtesensoren zu einem angenehmen Raumklima bei. Leistungsstarke Drucksensoren mit vielseitigem Einsatzspektrum 01 Barocap-Drucksensoren erzielen eine hervorragende Messgenauigkeit, eine gute Elastizität sowie eine geringe Temperaturabhängigkeit 02 Die Humicap-Sensoren wurden bereits 1973 entwickelt – die damals weltweit ersten kapazitiven Dünnfilm-Feuchtesensoren sind heute Standard und werden seither kontinuierlich weiterentwickelt überlegene Langzeitstabilität aus, was sie für den Einsatz auf dem Mars perfekt macht. Auf der Erde finden sie Anwendung in Wetterstationen, Datenerfassungsbojen, in der GPS-Meteorologie und der Protokollierung von Umweltdaten, aber auch in druckempfindlichen Industrieprodukten, wie beispielsweise Laser-Interferometern und Lithografie-Systemen, der Luftfahrt sowie in der Abgasanalyse. Was auf dem Mars funktioniert, funktioniert auch auf der Erde Die besonders rauen Bedingungen im Weltraum stellen strenge Anforderungen an die Technologie. Dafür sind die zuverlässigsten Luftqualitäts- Messumformer Für jede Anwendung die passende Bauform analog oder digital Wenn Sensoren auf dem Mars funktionieren, sind sie auch den größten Herausforderungen in industriellen Anwendungen auf der Erde gewachsen Die Barocap-Drucksensoren wurden in den 1980er Jahren entwickelt und kommen vor allem in der Meteorologie zum Einsatz. Druckdaten sind erforderlich, um den in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampfgehalt zu bestimmen. Auf dem Mars sollen so erste Erkenntnisse über Wetter und Wind gesammelt werden, die wichtig sind, wenn in der Zukunft Menschen dort forschen und leben sollen. Barocap vereint gleich zwei leistungsstarke Technologien in sich: monokristallines Silizium, das durch den Druck mithilfe von Größenänderungen in der Siliziummembran misst, und Kapazitätsmessung. Mit zu- oder abnehmendem Umgebungsdruck biegt sich die Membran, wodurch sich die Höhe des Vakuumspalts im Inneren des Sensors verändert. Die gegenüberliegenden Seiten des Vakuumspalts fungieren als Elektroden. Der Abstand der beiden Elektroden verändert sich und somit auch die Kapazität des Sensors. Die Kapazität wird gemessen und in einen ablesbaren Wert für den Druck umgewandelt. Durch die Kombination dieser Technologien erzielen sie eine hervorragende Messgenauigkeit und eine gute Elastizität, während die Hysterese gering bleibt. Außerdem zeichnen sich die Sensoren durch eine hervorragende Wiederholbarkeit, geringe Temperaturabhängigkeit und eine Sensoren erforderlich, die den Bedingungen ohne Reparatur standhalten. Doch auch auf der Erde haben wir es in der Industrie oft mit rauen Bedingungen zu tun. Temperaturschwankungen von bis zu 60 °C sind beispielsweise auch in der Sahara zu finden und viele Sensoren werden in unmittelbarer Nähe zu ätzenden Chemikalien verbaut, die die Technologie beeinflussen können. Wenn Messgeräte und Sensoren unter den rauen Bedingungen auf dem Mars funktionieren, sind sie auch den größten Herausforderungen in industriellen Anwendungen auf der Erde gewachsen. Bilder: Aufmacher NASA/JPL Caltech, 01 Vaisala, 02 Tero Pajukallio (Finnish Meteorological Institute) www.vaisala.com CO2 O2 PM O3 CO VOC +49 911 37322-190 Rauch Jetzt beraten lassen www.fuehlersysteme.de @ info@fuehlersysteme.de

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