AMA-Sensorpreis 2018 Der Standard von morgen

Statt drei haben es diesmal vier Produkte in die Endrunde des AMA-Innovationspreises geschafft.
Statt drei haben es diesmal vier Produkte in die Endrunde des AMA-Innovationspreises geschafft.

Zum 18. Mal zeichnet der Fachverband Sensorik außergewöhnliche Neuentwicklungen aus Sensor- und Messtechnik aus. Diesmal haben es vier Bewerber ins Finale geschafft. Doch was macht diese Vier so besonders?

Wieder zeigten die Erfinder eine bemerkenswerte Kreativität“, bemerkt Jury-Vorsitzender Prof. Dr. Andreas Schütze. „Und die Auswahl war auch dieses Jahr keine leichte Aufgabe.“ Das zeigt sich auch daran, dass aus den 35 Bewerben vier statt drei in die engere Auswahl gewählt wurden.

Für die AMA-Jury aus Wissenschafts- und Industrievertretern zählt bei der Vergabe des Awards neben Innovationshöhe und Originalität der Lösungen auch die Marktrelevanz und die zeitnahe Umsetzung in wettbewerbsfähige Produkte. Die Auszeichnung geht wie immer an die Entwickler selbst, nicht an ihre Firmen oder Institute. Wer letztlich die 10.000 Euro Siegerprämie erhält – ein einzelner oder mehrere in Aufteilung – wird auf der Eröffnungsveranstaltung der Sensor+Test am 26. Juni 2018 in Nürnberg bekanntgegeben.

Miniaturisierter Umweltsensor

Dr. Richard Fix von Bosch Sensortec überzeugte die Jury mit einem Umweltsensor, der gleich vier verschiedene Messgrößen parallel erfasst: Umgebungstemperatur, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Luftqualität. Als Messgröße für die letztere nutzt der BME680 die Konzentration von bestimmten Spurengasen, hierunter insbesondere flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC), wie sie häufig aus Kunststoffteilen, Möbeln und Reinigungsmitteln ausdünsten und das Wohlbefinden beeinträchtigen können.

Das erfordert eine Empfindlichkeit bis herab in den ppb-Bereich. Zur Messung nutzt der Sensor eine Metalloxid-Dünnschicht, die auf 200 bis 400 °C aufgeheizt und dadurch halbleitend wird. Je nach Gaskonzentration ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung  lässt sich erreichen, dass der Sensor nur auf ein einzelnes oder einige wenige Zielgase reagiert. Die Temperaturmessung des BME680 wird dabei nicht beeinflusst, da die Luftqualität mit einem separaten Chip im selben Gehäuse gemessen wird.

Eine Siliziumdiode misst die Temperatur. Die Feuchte wird mit Hilfe eines Polymers ermittelt, dessen Dielektrizitätskonstante sich je nach Wasseranteil in der Luft ändert. Für die Druckmessung verwendet der BME680 piezoresistive Elemente auf einer dünnen Membran. Bei einer Auflösung von nur 12 Pa entsprechend 1 m Höhendifferenz ist die Höhenortung damit viel präziser als über GPS-Satellitensignale. Das System fragt über eine App den örtlichen Luftdruck am Boden ab. Die Differenz dazu, die der Sensor ermittelt, ist ein Maß für die Höhe über dem Boden, etwa das Stockwerk in einem Gebäude. Ein von einem Sportler getragenes Gerät kann damit feststellen, ob er in der Ebene bergauf oder bergab läuft, was wiederum Informationen über den Kalorienverbrauch liefern kann.

Jedes Exemplar wird im Werk kali­briert und weist dank interner Kompensations-Algorithmen eine lange Lebensdauer auf. Der Sensor eignet sich vor allem für Smartphones, Wearables und die Heimautomatisierung.

Hochgenaue Durchflussmessung

Der Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen kann auf verschiedene Arten gemessen werden, zum Beispiel mit Hilfe des Coriolis-Effekts. Dabei wird ein U-förmig geführtes Rohr in mechanische Vibrationen versetzt. Wenn sich darin ein Medium in radialer Richtung bewegt, beginnt die Schwingung sozusagen zu torkeln. Beschleunigungsaufnehmer an zwei verschiedenen Messpunkten werten die Signale aus, zwischen denen sich jetzt eine Phasendifferenz bildet, die proportional zur durchfließenden Masse pro Zeiteinheit ist. Um Energie zu sparen, regt die Steuerelektronik das Rohr mit einer mechanischen Eigenresonanzfrequenz an. Sie hängt von der Dichte des durchfließenden Mediums ab und wird von der Steuerelektronik ermittelt.

Derartige Sensoren werden seit Jahrzehnten in großen Stückzahlen und in vielen verschiedenen Bauformen hergestellt. Sie arbeiten sehr genau bei homogenen Medien, ihre Messunsicherheit liegt bei nur 0,1 %. Probleme treten jedoch bei Flüssigkeiten mit eingeschlossenen Gasblasen auf. Hierzu zählen etwa Rohöl, das häufig Erdgas enthält, und kohlensäurehaltige Getränke. Solche Flüssigkeiten sind kompressibel, das bedeutet, dass die Gasbläschen auf der einen Seite des Messrohres zusammengedrückt und auf der anderen Seite ausgedehnt werden; die Messung wird ungenau.

Eine Lösung für dieses Problem hat das Team von Wolfgang Drahm bei Endress+Hauser Flowtec AG in Freising gefunden. Ihr Sensor Promass Q arbeitet mit Mehrfrequenztechnik: Ein Erreger versetzt das Rohr gleichzeitig mit zwei verschiedenen Eigenresonanzfrequenzen in Schwingungen, meist um 200 bis 300 Hz und um 1.000 Hz. Jede Frequenz liefert ein eigenes Messsignal. Beide sind zunächst noch fehlerbehaftet, wobei die Abweichung bei der höheren Frequenz größer ist.

 Aus diesen beiden »falschen« Werten berechnet ein dafür entwickelter Algorithmus einen viel genaueren Endwert. Der Fluss geht hier durch das äußere gebogene Rohr, in dem zwei Innenrohre sitzen, die gegenphasig erregt werden. Dadurch bleibt die Vibration weitgehend im Inneren. Das gerade Rohr in der Mitte dient nur der mechanischen Stabilität; hier fließt nichts durch. Während konventionelle Coriolis-Sensoren bereits bei Gasanteilen von nur 1 bis 2 % des Volumens Fehler in der Größenordnung 10 % liefern, arbeitet der Promass Q noch bei 10 % Anteil bis auf wenige Promille genau.

Nützlich ist das besonders für die chemische Industrie bei Ölen und Abwässern, in der Lebensmittelindustrie bei Getränken, aber auch bei dickflüssigeren Medien wie etwa Eiscreme – niemand bekommt mehr eine falsche Menge geliefert.