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Kabel und Leitungen

Spezialkabel für sensiblen Sensorik-Bereich

| Autor/ Redakteur: Dr. Bernhard Reichenbach / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Micro-Epsilon suchte für Spezialsensoren, die atomarer Strahlung ausgesetzt sind, ein strahlenbeständiges Triaxialkabel. Die Schwierigkeit bestand darin, dass bei Triaxialkabeln die benötigte niedrige Kapazität von Abschirmung zu Abschirmung beim Einsatz strahlenfester Materialien nur schwer erreichbar ist. E&E Kabeltechnik konnte das Problem lösen.

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Der Capacitive Hydrostatic Level Sensor CHLS4 mit strahlungsbeständigen Spezialkabel.
Der Capacitive Hydrostatic Level Sensor CHLS4 mit strahlungsbeständigen Spezialkabel.
(Bild: Micro-Epsilon)

Der Sensorik-Experte Micro-Epsilon Messtechnik hatte ein echtes Problem: Es betraf die Leitungen spezieller, hochgenauer Sensoren, wie sie etwa in riesigen Teilchenbeschleunigern im Bereich der Nuklearforschung verwendet werden. Dort sind die Systeme bei Tests extremen Strahlungen ausgesetzt.

Dem Unternehmen standen zwar strahlungsbeständige Leitungen aus PEEK-Kunststoffmaterial zur Verfügung, doch waren diese sehr steif. Aufgrund dieser hohen Steifigkeit ergaben sich schlechte Microfoniewerte, verbunden mit einer Störung der elektrischen Parameter. Dies wirkte sich negativ auf die Übertragung der Messergebnisse aus und verfälschte diese. Gesucht wurden daher flexiblere und somit in puncto Microfonie sowie in weiteren Belangen – wie etwa hinsichtlich der Kapazitätswerte – bessere Kabel.

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Messtechnische Eigenschaften nach Bestrahlung noch vorhanden

Micro-Epsilon wandte sich mit dieser Herausforderung an E&E Kabeltechnik. Die Spezialkabelhersteller hatten schnell einige Ideen. Man bat um etwas Geduld und legte nach rund drei Monaten ein Musterkabel vor.

„Wir haben von E&E gelieferte Musterleitungen mit verschiedenen Strahlungsdosen beaufschlagen lassen: 50, 100, 150 und 200 MRad Gamma-Strahlung wurden appliziert“, berichtet Dipl.-Ing. (FH) Norbert Reindl, Gruppenleiter Entwicklung Kapazitive Sensorik und Team-Manager R&D Capacitive Sensors bei Micro-Epsilon. „Die Leitung hat auch nach der Bestrahlung ihre messtechnischen Eigenschaften nicht verloren. Somit können wir mit der gewohnten Genauigkeit unserer Sensoren messen – und dies mit einer Leitungslänge von bis zu acht Metern pro Sensor und je nach angeschlossenem Sensor auch bis in den Nanometer-Bereich.“ Sechs bis acht Meter beträgt jeweils der Abstand zwischen den Betonpfeilern, die das kilometerlange Röhrensystem von Teilchenbeschleunigern stützen.

Der „prominenteste“ dieser Sensoren, bei dem das Spezialkabel eingesetzt wird, ist der Capacitive Hydrostatic Level Sensor CHLS4, der auf dem Sockel der Betonpfeiler angebracht ist, doch lässt sich die Leitung mit fast jedem Sensor von Micro-Epsilon kombinieren.

„Einen mit dem CHLS4 vergleichbaren strahlungsbeständigen kapazitiven Sensor hat, soweit ich weiß, derzeit kein weiterer Hersteller im Programm“, merkt Norbert Reindl an und ergänzt: „Zwar gibt es durchaus verschiedene Kabelhersteller, die strahlungsbeständige Leitungen anbieten, doch konnte E&E als einziger die für uns wichtigen Eigenschaften kombinieren.“

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Hochgenauer Capacitive Hydrostatic Leveling Sensor

Der hochgenaue Capacitive Hydrostatic Leveling Sensor CHLS4 von Micro-Epsilon ist strahlenbeständig und eignet sich daher unter anderem zum Einsatz in Teilchenbeschleunigern im Bereich der Atomforschung.

Das Sensorsystem, das auf dem Prinzip der Schlauchwaage basiert, dient zur Kontrolle von Höhenveränderungen des kilometerlangen unterirdischen Röhrensystems, in dem winzige atomare Teilchen auf extreme Geschwindigkeiten beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Mit den Sensoren, die über ein Schlauchsystem verbunden sind, lassen sich Höhenänderungen durch Veränderungen eines korrelierenden Wasserpegels schnell und zuverlässig im Submikrometerbereich detektieren.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Herausforderung: Triaxialkabel

Eine wesentliche Herausforderung für E&E bestand darin, dass – wie in der elektrischen Messtechnik üblich – ein Triaxialkabel eingesetzt werden sollte. Mit dieser Sonderform des Koaxialkabels lassen sich hochgenaue Messungen im Femto-Ampere-Bereich durchführen. Triaxialkabel bestehen aus drei konzentrischen Leitern, die durch isolierende Dielektrika sowie Abschirmungen aus voneinander getrennt sind. Allerdings ist bei dieser Kabelvariante die benötigte niedrige Kapazität von Abschirmung zu Abschirmung mit den verfügbaren strahlenfesten Materialien – speziellen Kunstoffen – nur schwer zu erreichen.

Die Lösung bot ein ausgeklügeltes Design zur Abstandshalter-Generierung. Somit konnte im Bereich zwischen den Abschirmungen das strahlenfeste Material in Verbindung mit der niedrigen Kapazität des Dielektrikums Luft genutzt werden. Die erforderliche Flexibilität des Kunststoffmantels, wiederum, ließ sich leicht realisieren, da E&E diesbezüglich das entsprechende Know-how in Bezug auf die Materialauswahl besitzt.

Sensorleitung mit besonders hoher Strahlungsbeständigkeit

Nach dem Testen des Musterkabels bezog E&E diverse Anregungen von Micro-Epsilon ein und legte nach weiteren rund drei Monaten das Endprodukt vor. Die „finale“ Sensorleitung ist so konzipiert, dass sie nicht nur die Standard-Anforderungen an extrem niedrige Mikrofoniewerte voll erfüllt, sondern auch eine besonders hohe Strahlungsbeständigkeit mit niedrigen Kapazitätswerten sowie geringen Fertigungstoleranzen für die Sensor-Anwendung verbindet. „Wir sind mit der Leitung, die uns E&E zur Verfügung gestellt hat, vollauf zufrieden“, versichert Norbert Reindl, der sich darüber freut, dass das Problem gelöst werden konnte.

* Dr. Bernhard Reichenbach ist freier Fachjournalist in Sandhausen

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