Der CP216 ist ein leistungsstarker piezoelektrischer Druckwandler aus der VM-Produktlinie, der speziell für die dynamische Druckmessung in extremen Umgebungen entwickelt wurde. Durch die Verwendung spezieller künstlicher piezoelektrischer Materialien bietet dieser Wandler eine außergewöhnliche Temperaturstabilität und Langzeitzuverlässigkeit und eignet sich daher für die dynamische Drucküberwachung und Entwicklungstests in Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen. Der CP216 kann dynamische Druckänderungen in Gasen oder Flüssigkeiten direkt messen und mechanische Drucksignale in Ladungssignale umwandeln, wodurch genaue Druckdaten für verschiedene industrielle Anwendungen bereitgestellt werden.
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Hauptmerkmale
1. Extreme Anpassungsfähigkeit an die Umgebung
Der CP216 weist eine hervorragende Temperaturtoleranz auf und ermöglicht einen stabilen Betrieb in Umgebungen mit extremen Temperaturen:
Betriebstemperaturbereich: -54 °C bis 470 °C (Dauerbetrieb)
Extreme Anwendungstemperatur: -70 °C bis 520 °C
Temperaturbereich des Steckverbinders:
2. Hochdruckmessfähigkeit
Der Wandler verfügt über einen großen Druckmessbereich:
Dynamischer Messbereich: 0,0005 bar bis 250 bar
Überlastfähigkeit: Bis zu 350 bar (statische + dynamische Komponenten)
Nenndruckempfindlichkeit: 200 pC/bar (13,8 pC/psi)
3. Breite Frequenzgangeigenschaften
Der CP216 bietet hervorragende Frequenzgangeigenschaften:
Frequenzbereich: 2 Hz bis 15 kHz ±5 %
Resonanzfrequenz: > 80 kHz
Niederfrequenz-Abschaltung: Wird durch die verwendete Elektronik bestimmt
4. Robustes Strukturdesign
Gehäusematerial: NIMONIC 90-Legierung, vollständig hermetisch verschweißt
Kabelmaterial: INCONEL 600-Legierung
Interne Isolierung: Vollständig isoliertes Design
Strahlungsbeständigkeit: Widersteht Gamma- und Neutronenstrahlung
5. Explosionsgeschützte Zertifizierung
Der CP216 ist in explosionsgeschützten, zertifizierten Versionen für gefährliche Umgebungen erhältlich:
Explosionsgeschützter Typ: Ex ib Eigensicherheit
Zertifizierungsstandards: ATEX, IECEx und andere internationale Standards
Anwendbare Zonen: Gefahrenbereiche der Zone 1/2
6. Mehrere Konfigurationsoptionen
Kabeltyp: Mineralisoliertes (MI) Kabel, Doppelleiter
Anschlussoptionen: LEMO-Anschluss oder Vibro-Meter-Hochtemperaturanschluss
Kabellängen: 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 5 m oder kundenspezifische Längen
Funktionsprinzip
Grundlagen des piezoelektrischen Effekts
Das Kernfunktionsprinzip des CP216 basiert auf dem piezoelektrischen Effekt, einem einzigartigen physikalischen Phänomen, bei dem bestimmte Materialien elektrische Ladung erzeugen, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Dieser Effekt ist reversibel: Wenn ein elektrisches Feld an piezoelektrische Materialien angelegt wird, erfahren diese eine mechanische Verformung. Bei Druckmessanwendungen nutzen wir den direkten piezoelektrischen Effekt – die Umwandlung mechanischer Energie (Druck) in elektrische Energie (Ladung).
Der Sensor verwendet ein spezielles künstliches piezoelektrisches Material, das sorgfältig entwickelt und verarbeitet wurde, um eine hervorragende Temperaturstabilität und Langzeitstabilität zu gewährleisten. Im Vergleich zu natürlichen piezoelektrischen Materialien bieten künstliche piezoelektrische Materialien eine gleichmäßigere Leistung und eine bessere Anpassungsfähigkeit an die Umwelt.
Struktur des Sensorelements
Der CP216 verwendet ein Kompressionsmodus-Design, bei dem das Kernsensorelement aus einem präzisionsgefertigten Stapel piezoelektrischer Kristalle besteht. Dieser Stapel besteht aus mehreren piezoelektrischen Scheiben, die mechanisch in Reihe und elektrisch parallel angeordnet sind. Dieses Design bietet mehrere Vorteile:
Erhöhte Empfindlichkeit: Mehrere Scheiben erhöhen die Ladungsabgabefähigkeit
Verbesserte Stabilität: Die symmetrische Struktur reduziert Temperaturgradienteneffekte
Bessere Linearität: Eine gleichmäßige Druckverteilung sorgt für eine verbesserte lineare Reaktion
Die piezoelektrischen Scheiben sind präzise in einem Metallgehäuse montiert und kontaktieren das Messmedium über eine dünne Membran. Wenn Druck auf die Membran einwirkt, wird dieser auf den piezoelektrischen Stapel übertragen, wodurch eine minimale Verformung entsteht.
Ladungserzeugungsmechanismus
Wenn piezoelektrische Materialien mechanischer Belastung ausgesetzt sind, verformt sich ihre Kristallgitterstruktur, was zu Änderungen der internen elektrischen Dipolmomente führt, wodurch Ladung auf der Materialoberfläche erzeugt wird. Diese Ladung ist proportional zum ausgeübten Druck:
Q = d × F
Wo:
Q ist die erzeugte Ladung (in pC)
d ist die piezoelektrische Konstante (Materialeigenschaft)
F ist die ausgeübte Kraft (proportional zum Druck)
Die Nennempfindlichkeit des CP216 beträgt 200 pC/bar, was bedeutet, dass jede Druckänderung in einem Bar eine Ladungsleistung von 200 pC erzeugt.
Signalausgangseigenschaften
Der CP216 verwendet einen Ladungsausgabemodus, bei dem es sich um eine Signalausgabemethode mit hoher Impedanz handelt. Dieser Ausgabeansatz weist mehrere wichtige Merkmale auf:
Passiver Betrieb: Der Sensor benötigt keine externe Stromversorgung, was das Systemdesign vereinfacht
Störfestigkeit: Hochohmige Signale sind relativ unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen
Langzeitstabilität: Keine aktiven elektronischen Komponenten gewährleisten höchste Zuverlässigkeit
Der Sensor gibt ein Ladungssignal in Abhängigkeit von der Druckänderungsrate aus und eignet sich daher besonders für dynamische Druckmessungen statt für statische Druckmessungen.
Temperaturkompensationsmechanismus
Um eine stabile Leistung über einen weiten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, verfügt der CP216 über mehrere Temperaturkompensationstechniken:
Materialauswahl: Verwendet spezielle piezoelektrische Materialien mit ausgezeichneter Temperaturstabilität
Symmetrisches Design: Symmetrisch angeordnete Ausgleichselemente zur Reduzierung von Temperaturgradienteneffekten
Anpassung der Wärmeausdehnung: Alle Komponenten haben angepasste Wärmeausdehnungskoeffizienten
Die Temperatureigenschaften des Sensors wurden sorgfältig optimiert, um eine vorhersehbare Leistung über den extremen Temperaturbereich von -70 °C bis 520 °C aufrechtzuerhalten. Typische Temperaturreaktionskurven zeigen, dass Empfindlichkeitsänderungen mit der Temperatur gute lineare Eigenschaften aufweisen, was die Temperaturkompensation erleichtert.
Frequenzgangeigenschaften
Die Frequenzgangeigenschaften des CP216 werden sowohl durch seine mechanische Struktur als auch durch seine piezoelektrischen Eigenschaften bestimmt:
Niederfrequenz-Antwort: Niederfrequenz-Abschaltung, bestimmt durch den Leckwiderstand des Sensors und die anschließende Eingangsimpedanz des Ladungsverstärkers
Hochfrequenz-Antwort: Hochfrequenz-Grenzwert, bestimmt durch die mechanische Resonanzfrequenz des Sensors
Bereich mit flachem Ansprechverhalten: Bietet einen flachen Ansprechbereich von ±5 % im Bereich von 2 Hz bis 15 kHz
Die Resonanzfrequenz des Sensors liegt über 80 kHz und gewährleistet so einen ausreichenden Phasen- und Amplitudenspielraum innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs.
Überlegungen zur Installation und Anpassung
Die ordnungsgemäße Installation ist entscheidend für die Sensorleistung:
Montagedrehmoment: Erfordert ein präzises Montagedrehmoment (20 N·m), um eine gute mechanische Kopplung sicherzustellen
Dichtungsdesign: Verwendet spezielle Druckdichtungen, um ein Austreten von Medium zu verhindern
Wärmeisolierung: Bei Hochtemperaturanwendungen können Maßnahmen zur Wärmeisolierung erforderlich sein
Der Sensor muss mit geeigneten Signalaufbereitern (z. B. IPC704) verwendet werden, bei denen Ladungsverstärker hochohmige Ladungssignale in niederohmige Spannungs- oder Stromsignale für die Übertragung und Verarbeitung über große Entfernungen umwandeln.
Design zur Anpassung an die Umwelt
Das Design des CP216 berücksichtigt verschiedene extreme Umweltfaktoren:
Vibrationsfestigkeit: Das robuste Strukturdesign hält einer Stoßbeschleunigung von 2000 g stand
Korrosionsbeständigkeit: Verwendet fortschrittliche Legierungsmaterialien, um korrosiven Medien zu widerstehen
Strahlungsbeständigkeit: Spezielles Design ermöglicht Toleranz gegenüber Umgebungen mit hoher Strahlung
Kalibrierung und Stabilität
Der Sensor wird im Werk einer dynamischen Kalibrierung unterzogen (1 bar Spitze, 2 Hz, +23 °C) und erfordert aufgrund seiner außergewöhnlichen Stabilität normalerweise keine anschließende Neukalibrierung. Die Langzeitstabilität hängt in erster Linie von den Alterungseigenschaften des piezoelektrischen Materials ab. Dieses künstliche piezoelektrische Material wird einer speziellen Behandlung unterzogen, um extrem niedrige Alterungsraten zu erreichen.
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Anwendungsbereiche
1. Luft- und Raumfahrt
Überwachung des Brennraumdrucks des Motors
Dynamische Druckmessung in Turbomaschinen
Aerodynamische Drucküberwachung bei Flugtests
2. Energiewirtschaft
Überwachung der Gasturbinenverbrennung
Analyse der Druckschwankungen von Dampfturbinen
Sicherheitsüberwachungssysteme für Kernkraftwerke
3. Industrielle Prozesse
Messung des Pulsationsdrucks des Kompressors
Analyse der Druckschwankungen des Pumpensystems
Überwachung des Verbrennungsprozesses
4. Forschungs- und Entwicklungstests
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Unterstützende Ausrüstung
1. Signalaufbereiter
2. Montagezubehör
3. Kabelkonfektionen
EC153, EC222, EC119: Verschiedene dedizierte Kabelkonfektionen
Eigenschaften: Hochtemperaturbeständigkeit, Störfestigkeit
4. Isolationsausrüstung
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Technische Vorteile
1. Außergewöhnliche Zuverlässigkeit
Passives Design basierend auf piezoelektrischer Technologie und vollständig geschweißter Konstruktion sorgen für Zuverlässigkeit und eignen sich für langfristige kontinuierliche Überwachungsanwendungen.
2. Breite Anpassungsfähigkeit an die Umwelt
Der große Betriebstemperaturbereich von extrem niedrigen bis zu extrem hohen Temperaturen ermöglicht die Anpassung an verschiedene raue Umgebungen.
3. Genaue dynamische Messung
Hervorragende Frequenzgangeigenschaften und hohe Empfindlichkeit ermöglichen die Erfassung schneller Druckänderungen und kleinster Druckschwankungen.
4. Einfache Integration
Standardisierte Ausgangsschnittstellen und vielfältige Installationsmöglichkeiten erleichtern die einfache Integration in verschiedene Messsysteme.
