Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren

Vortrag auf der 7. Tagung "Feinwerktechnische Konstruktion", Dresden 2013

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1. Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Dresden, 06.11.2013 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design Markus Windisch
2. Gliederung Applikation Industrielle Teilereinigung Sensorprinzip Hydrogelbeschichteter Dickenscherschwinger Optimierung für die Sensoranwendung Konstruktive Lösung Zuverlässigkeit Fertigungstechnologie Stabile Qualität 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Folie 2 von 14
3. Hydrogel- sensor 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Applikation: Industrielle Teilereinigung Reinigungsbad • ϑ = 60…80°C • pH = 3…12 • Schmutzkonzentration • Reinigerkonzentration Schmutz- eintrag Sauberkeit Netzmittel Builder Blasendruck- tensiometer Messung Dosierung Dosierung Folie 3 von 14
4. Stand der Prozessmesstechnik in der Teilereinigung 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren 86 % Kontrollieren Badzustand  davon 40 % Netzmittelkonzentration 32 % Builderkonzentration 61 % Badverschmutzung Kontrollverfahren Netzmittel Tensiometrie 32 % Titration 38 % Builder Titration 81 % Badverschmutzung Optisch 47 % Titration 22 % Anwender- befragung Netzmittel Tensiometrie 32 % Titration 38 % Builder Titration 81 % Badverschmutzung Optisch 47 % Titration 22 % Anforderungen an industrie- tauglichen Hydrogelsensor Messabweichung Δc ≤ 0,2 Vol.-% Ansprechzeit t ≤ 1 min Zuverlässigkeit MTBF > 3 Monate Netzmittel Tensiometrie 32 % Titration 38 % Builder Titration 81 % Badverschmutzung Optisch 47 % Titration 22 % Folie 4 von 14
5. 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Sensorprinzip „Dickenscherschwinger“ Quelle: TU Dresden, Professur für Spezielle Physikalische Chemie / Physikalische Chemie der Polymere Folie 5 von 14
6. 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Funktionsstruktur Amplituden- & Phasenspektrum Messgröße Hydrogel DSS Signalverarbeitung Änderung mech. Eigenschaften Modell der Auswertung Messwert |A|, φ c, pH, Organika, 2-wertige Metallionen,… V, m, G* Beschichtungs- technologie Konstruktion Messwert- verarbeitung Folie 6 von 14
7. 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Konstruktive Lösung des Sensorkopfes O-Ring Quarzscheibe Leitgummi Sensorplatine Temperatur- sensor Folie 7 von 14
8. 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Konstruktive Lösung des Sensorkopfes Goldelektroden Folie 8 von 14
9. Impedanzspektrum 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren 240 10,03 10,04 10,05 magnitude (Z) / Ω frequency f /MHz 1 vol.-% 3 vol.-% 8 vol.-% 200 900 Amplitude (Z) / Ω Frequenz f / MHz 1 Vol.-% 3 Vol.-% 8 Vol.-% Wendepunktfrequenz Serienresonanz- frequenz Parallelresonanz- frequenz Builder-Konzentration Folie 9 von 14
10. Sensorverhalten über der Zeit 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Amplitude (Z) / Ω Frequenz f /MHz 1 Vol.-% 3 Vol.-% 8 Vol.-% 8 Vol.-% nach 2 Wochen 3 Vol.-% nach 2 Wochen 1 Vol.-% nach 2 Wochen Builder-Konzentration Folie 10 von 14
11. Zuverlässigkeit durch optimierte Messwertverarbeitung 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Auswertung Serienresonanzfrequenz Auswertung Wendepunktfrequenz geringere Messwertstreuung Folie 11 von 14
12. 0,2 0,5 0,7 1,0 10,02 10,03 10,04 10,05 Amplitude (Z) / kΩ 10,02 10,03 10,04 10,05 Frequenz f /MHz Ist-Qualität im Musterlos (10 Stk.) 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren gute Qualität: 4 Stk. schlechte Qualität: 6 Stk. 1 Vol.-% 8 Vol.-% 1 Vol.-% 8 Vol.-% Anforderung: S > 300 Hz/Vol.-% Builder- konzentration Folie 12 von 14
13. Schwerpunkt: Technologische Forschung 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Technologie- parameter Wertebereiche Sensor- verhalten Konzentrations- kennlinien Schicht- parameter Kontroll- merkmale Verhalten des DSS Amplituden- & Phasenspektren Qualität  Fertigungsversuche Anforderungen aus Anwendung Folie 13 von 14
14. 06.11.2013 Innovation in der Prozessmesstechnik durch Hydrogelsensoren Professur Spezielle Physikalische Chemie/ Physikalische Chemie der Polymere „Das rechte Maß zu wissen ist höchste Kunst.“ Heraklit hydrogelsensor.blog.de Gefördert durch ein Promotionsstipendium der www.ifte.de/forschung/sensorik Folie 14 von 14