Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt: Anwendungen und besondere Anforderungen

Drucksensoren übernehmen in der Luft- und Raumfahrt zahlreiche sicherheitskritische Messaufgaben. Sie kommen sowohl im Flugbetrieb als auch bei Bodentests zum Einsatz, beispielsweise in Kraftstoff-, Hydraulik- und Pneumatiksystemen, Triebwerksöl- und Bremssystemen, Luftstrom- und Differenzdruckmessungen, Filterüberwachungen, Struktur-, Funktions- und Belastungstests sowie Prüfständen für Flugzeugkomponenten. 

Bei sogenannten Non-Flying-Anwendungen unterstützen Druckaufnehmer die Entwicklung, Produktion und Erprobung von Flugzeugen und Komponenten. Im Flugbetrieb dienen sie der kontinuierlichen Überwachung wichtiger Systeme und müssen auch bei schnellen Änderungen von Temperatur, Vibration und Umgebungsdruck zuverlässig arbeiten.

Die Anforderungen liegen daher deutlich über denen vieler klassischer Industrieanwendungen. Neben Genauigkeit und Langzeitstabilität spielen insbesondere Temperaturbeständigkeit, Vibrationsfestigkeit, geringe Baugröße, niedriges Gewicht, geeignete Anschlüsse und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit eine wichtige Rolle.

TEDS vereinfacht die Sensoridentifikation

Bei umfangreichen Messaufbauten kommen oft zahlreiche Sensoren gleichzeitig zum Einsatz. TEDS, kurz für „Transducer Electronic Data Sheet“, erleichtert deren Verwaltung.

Informationen wie Sensoridentität, Empfindlichkeit, Kalibrierdaten und Korrekturwerte werden direkt im Sensor gespeichert und vom Messsystem automatisch ausgelesen. Dadurch lassen sich Inbetriebnahme und Sensortausch vereinfachen, während das Risiko fehlerhafter Konfigurationen sinkt. TEDS ist besonders hilfreich, wenn

• viele Sensoren gleichzeitig eingesetzt werden, 
• Sensoren häufig gewechselt werden, 
• verschiedene Empfindlichkeiten oder Kalibrierwerte vorliegen, 
• Prüfstände von mehreren Teams genutzt werden, 
• die Gefahr manueller Konfigurationsfehler hoch ist, 
• eine eindeutige Rückverfolgbarkeit gefordert ist. 

Praxis-Tipp:
TEDS reduziert Konfigurationsfehler, ersetzt jedoch nicht die Prüfung von Messbereich, mechanischer Montage und Kalibrierstatus!

Besondere Anforderungen im Flugbetrieb

Sensoren für den direkten Einsatz im Flugzeug müssen auch unter schnell wechselnden Bedingungen stabile Messwerte liefern. Besonders anspruchsvoll sind große Temperaturbereiche, starke Vibrationen und schnelle Veränderungen des atmosphärischen Drucks.

• Temperaturbeständigkeit
  Je nach Einbauort können sehr niedrige Umgebungstemperaturen und gleichzeitig hohe Medientemperaturen auftreten. Sensoren müssen diese Belastung nicht nur aushalten, sondern über den gesamten Temperaturbereich ein stabiles Ausgangssignal liefern. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen gibt es Hochtemperatur-Drucksensoren, die für Medientemperaturen bis etwa 200 °C ausgelegt sind. Kompaktere Ausführungen ermöglichen je nach Bauart einen dauerhaften Betrieb bis etwa 135 °C.
   
• Kompakte und leichte Bauweise
  In Flugzeugen sind Bauraum und Gewicht begrenzt. Druckaufnehmer müssen daher häufig sehr kompakt konstruiert sein, ohne dass Genauigkeit oder Robustheit darunter leiden. Das gilt besonders bei Nachrüstungen und Ersatzlösungen für ältere Systeme. Hier muss ein neuer Sensor oft in einen festgelegten Einbauraum passen und vorhandene mechanische sowie elektrische Anschlüsse übernehmen.
   
• Druckausgleich bei Höhenänderungen
  Beim Steig- und Sinkflug verändert sich der atmosphärische Druck innerhalb kurzer Zeit. Bei Relativdrucksensoren ist daher ein zuverlässiger Druckausgleich erforderlich. Eine integrierte Belüftung zur Atmosphäre kann dafür sorgen, dass das Ausgangssignal auch bei schnellen Höhenänderungen stabil bleibt. Gleichzeitig muss die Konstruktion verhindern, dass Feuchtigkeit oder Verunreinigungen die Messung beeinflussen.
   
• Vibrationen und mechanische Belastungen
  Im Flugzeug sind Sensoren dauerhaft Schwingungen, Stößen und Druckwechseln ausgesetzt. Gehäuse, Schweißverbindungen, Kabel und Steckverbinder müssen deshalb mechanisch stabil und vibrationsfest ausgeführt sein.
   
• Luftfahrtspezifische Anschlüsse und Schnittstellen
  Industrielle Standardanschlüsse sind nicht immer mit bestehenden Flugzeugsystemen kompatibel. Häufig werden spezielle elektrische Steckverbinder, Gewinde und Prozessanschlüsse nach Luftfahrtstandards benötigt. Typische Beispiele sind: hermetische Steckverbinder nach D38999, Prozessanschlüsse nach MS- oder AS-Normen, hochtemperaturbeständige Kabel, abgeschirmte Leitungen, spezielle UNF- oder Dichtanschlüsse 

Neben der mechanischen Passform sind Dichtheit, elektrische Zuverlässigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit entscheidend. Bei Ersatzlösungen für ältere Systeme kann es notwendig sein, nicht nur den Druckbereich, sondern auch Einbaumaße, Anschlussbild und elektrische Kennwerte des ursprünglichen Sensors exakt nachzubilden.

Do’s und Don’ts für die Auswahl von Aerospace-Drucksensoren

Do

• Den maximalen Druck inklusive Druckspitzen betrachten. Nicht nur den nominalen Betriebsdruck angeben.
• Temperaturfehler über den gesamten Einsatzbereich prüfen. Eine Genauigkeitsangabe bei Raumtemperatur reicht nicht aus.
• Medienverträglichkeit für alle benetzten Werkstoffe bestätigen.
• Mechanische und elektrische Schnittstellen frühzeitig festlegen.
• Vibrations- und Schockanforderungen bereits in der Spezifikation nennen.
• Bei Relativdrucksensoren die Referenzierung zur Atmosphäre prüfen.
• Kalibrierung, Rückverfolgbarkeit und Dokumentationsumfang vorab definieren.
• Bei älteren Systemen auch Kennlinie, Steckerbelegung und Versorgungsspannung vergleichen.

Don’t

• Nicht nur nach dem Druckbereich auswählen.
• Keine industrielle Standardbauform übernehmen, ohne Einbauraum und Anschlüsse zu prüfen.
• Den Atmosphärendruck bei Höhenänderungen nicht ignorieren.
• Nicht automatisch davon ausgehen, dass ein chemisch beständiges Gehäuse auch geeignete Dichtungen enthält.
• Keinen Ersatzsensor allein anhand ähnlicher Abmessungen freigeben.
• Kundenspezifische Anforderungen nicht erst nach der Prototypenphase ergänzen.
• Dokumentation und Langzeitverfügbarkeit nicht als Nebenthemen behandeln.

Silicon-on-Sapphire-Technologie für anspruchsvolle Messaufgaben

Für hohe Drücke, große Temperaturbereiche und anspruchsvolle Medienbedingungen eignet sich die Silicon-on-Sapphire-Technologie, kurz SoS. Im Flugzeug kommt sie insbesondere in Hydraulik-, Kraftstoff-, Pneumatik- und triebwerksnahen Systemen zum Einsatz. Typische Messgrößen sind der Hydraulikdruck, der Kraftstoffförderdruck oder der Öldruck.

Druckmessung in Kraftstoff-, Hydraulik- und Pneumatiksystemen

Kraftstoff-, Hydraulik- und Pneumatiksysteme übernehmen im Flugzeug unterschiedliche Aufgaben, stellen an die Druckmesstechnik jedoch ähnlich hohe Anforderungen. Die Sensoren müssen auch bei wechselnden Temperaturen, Vibrationen und schnellen Druckänderungen zuverlässige Messwerte liefern.

Kraftstoffsysteme

In Kraftstoffsystemen wird der Druck unter anderem genutzt, um die Funktion von Pumpen, Leitungen, Filtern und Ventilen zu überwachen. Ein zu niedriger Förderdruck kann beispielsweise auf eine gestörte Kraftstoffversorgung, eine schwache Pumpe oder eine Undichtigkeit hinweisen. Ein steigender Differenzdruck an einem Filter kann dagegen ein Anzeichen für zunehmende Verschmutzung oder eine eingeschränkte Durchströmung sein.

Drucksensoren müssen daher nicht nur gegenüber dem verwendeten Kraftstoff beständig sein, sondern auch dauerhaft dicht und temperaturstabil arbeiten. Besonders wichtig sind:

• medienbeständige Werkstoffe und Dichtungen 
• geringe Leckageraten 
• kompakte und leichte Bauformen 
• abgeschirmte Kabel und zuverlässige Steckverbindungen 
• stabile Messwerte bei wechselndem Umgebungsdruck 

Bei Relativdruckmessungen muss zusätzlich berücksichtigt werden, dass sich der atmosphärische Druck während des Steig- und Sinkflugs schnell verändert. Eine geeignete Referenzierung oder Belüftung verhindert, dass diese Änderungen das Messergebnis verfälschen.

Hydrauliksysteme

Hydrauliksysteme erzeugen die Kräfte, die beispielsweise für Fahrwerk, Bremsen, Steuerflächen oder andere Aktuatoren benötigt werden. Entsprechend hoch können die Betriebsdrücke sein. Drucksensoren dienen hier sowohl der Funktionsüberwachung als auch der Erkennung von Druckverlusten, Druckspitzen oder ungewöhnlichen Lastzuständen.

Neben dem regulären Betriebsdruck müssen die Sensoren kurzzeitige Überdrücke und schnelle Lastwechsel verkraften. Gleichzeitig ist eine gute dynamische Reaktion erforderlich, damit auch schnelle Druckänderungen zuverlässig erfasst werden.

Ein stabiler Druckverlauf bestätigt, dass Pumpe, Ventile, Speicher und Leitungen ordnungsgemäß arbeiten. Abweichungen können unter anderem auf Leckagen, verschlissene Komponenten, Luft im System oder fehlerhafte Ventilstellungen hinweisen.

Pneumatiksysteme

Pneumatische Systeme arbeiten mit komprimierter Luft oder anderen Gasen. Sie werden beispielsweise für Steuerungs-, Betätigungs- oder Versorgungssysteme genutzt. Im Vergleich zu Flüssigkeiten sind Gase kompressibel, wodurch Druckänderungen häufig schneller und dynamischer verlaufen.

Für die Sensorik bedeutet das, dass neben Genauigkeit auch eine ausreichend schnelle Reaktionszeit wichtig ist. Je nach Anwendung werden Relativ-, Absolut- oder Differenzdrucksensoren eingesetzt. Differenzdruckmessungen eignen sich beispielsweise zur Überwachung von Filtern, Luftströmungen oder Druckverlusten in Leitungen.

Ausgangssignale und Systemintegration

Das passende Ausgangssignal hängt von der vorhandenen Mess- und Steuerungstechnik ab. In Prüfständen werden häufig passive mV- oder mV/V-Signale verwendet, die über externe Messverstärker ausgewertet werden.

Für fest installierte Systeme können verstärkte Spannungssignale oder 4–20-mA-Ausgänge vorteilhaft sein. Bei der Auswahl sollten vor allem Leitungslänge, Störanfälligkeit, Versorgungsspannung und die vorhandene Auswerteelektronik berücksichtigt werden.

Wann eine kundenspezifische Lösung erforderlich ist

Standardprodukte stoßen vor allem dann an Grenzen, wenn mehrere anspruchsvolle Anforderungen zusammenkommen. Typische Beispiele sind:

• niedrige Absolutdrücke bei hoher Temperatur 
• sehr geringer Bauraum 
• besondere Prozess- oder Steckanschlüsse 
• spezielle Ausgangssignale 
• Redundanzanforderungen  
• kundenspezifische Kalibrierung 

Checkliste

Ein Standardprodukt ist häufig ausreichend, wenn:

• Druck- und Temperaturbereich marktüblich sind,
• vorhandene Standardanschlüsse verwendet werden können,
• ausreichend Bauraum vorhanden ist,
• keine besondere Redundanz gefordert wird,
• das gewünschte Ausgangssignal verfügbar ist.

Eine kundenspezifische Lösung sollte geprüft werden, wenn:

• mehrere Sonderanforderungen gleichzeitig bestehen,
• sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht,
• spezielle Luftfahrtanschlüsse erforderlich sind,
• besondere Temperaturkompensation nötig ist,
• ein bestehender Sensor exakt ersetzt werden muss,
• Redundanz oder eine spezielle Kennlinie verlangt wird,
• besondere Dokumentations- oder Kalibrieranforderungen bestehen.

Senden Sie uns Druckbereich, Temperaturbereich, Medium, Anschlussdaten und Einbauraum. Unsere Experten prüfen, ob ein Standardprodukt ausreicht oder eine kundenspezifische Lösung sinnvoll ist.

Sensor-only-Lösungen für Systemintegratoren

Nicht jede Anwendung benötigt einen vollständigen Drucktransmitter. In Pumpen, Ventilen, Steuergeräten oder kundenspezifischen Messmodulen können auch reine Sensorelemente oder teilintegrierte Sensorlösungen eingesetzt werden.

Solche Ausführungen lassen sich direkt in die Baugruppe des Systemherstellers integrieren. Druckbereich, elektrische Kennlinie und Temperaturverhalten können dabei bereits auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden. Für sicherheitskritische Systeme sind zudem mehrfache elektrische Anbindungen möglich, um redundante Messpfade zu realisieren.

Ersatzlösungen für ältere Flugzeugsysteme

Flugzeuge und Hubschrauber bleiben häufig über mehrere Jahrzehnte im Einsatz. Werden ursprüngliche Drucksensoren abgekündigt, reicht es nicht aus, lediglich ein Produkt mit demselben Messbereich auszuwählen. Ein technisch kompatibler Ersatz muss mechanisch in den vorhandenen Einbauraum passen, den bestehenden Prozessanschluss übernehmen und mit Versorgungsspannung, Ausgangssignal, Kennlinie und Steckerbelegung des Systems übereinstimmen.

Auch Temperaturverhalten, Genauigkeit, Überdruckfestigkeit und Langzeitstabilität müssen mit den Anforderungen der ursprünglichen Anwendung vergleichbar sein. Fehlen vollständige technische Unterlagen, kann eine Rekonstruktion der mechanischen und elektrischen Eigenschaften erforderlich sein. Prototypen werden anschließend durch Druck-, Temperatur-, Vibrations- und Funktionstests validiert.

Solche Legacy- oder Obsolescence-Projekte erfordern daher häufig eine kundenspezifische Entwicklung. Gleichzeitig können sie die langfristige Ersatzteilversorgung für bestehende Flugzeug- und Hubschraubersysteme sichern.

Qualität und Rückverfolgbarkeit nach AS9100D

In der Luft- und Raumfahrt ist die technische Leistungsfähigkeit eines Sensors eng mit der Qualität der Entwicklungs- und Fertigungsprozesse verbunden.

AS9100D ist ein international anerkannter Qualitätsmanagementstandard für die Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie. Er erweitert die ISO 9001 um branchenspezifische Anforderungen, unter anderem zu Produktsicherheit, Risikomanagement, Rückverfolgbarkeit und Konfigurationsmanagement.

Für Anwender bedeutet dies, dass Entwicklung, Fertigung, Prüfung und Dokumentation nach kontrollierten und nachvollziehbaren Prozessen erfolgen. Gerade bei kundenspezifischen Sensoren ist dies wichtig, weil Änderungen an Materialien, Bauteilen und Fertigungsverfahren sorgfältig bewertet und dokumentiert werden müssen.

Prüfungen und Dokumentation

Je nach Anwendung können unterschiedliche Prüf- und Dokumentationsnachweise erforderlich sein, beispielsweise:

• Kalibrierzertifikate und Materialnachweise 
• Maßzeichnungen und Anschlusspläne 
• Temperatur- und Druckwechseltests 
• Vibrations- und Schockprüfungen 
• Langzeit- und Überdrucktests 

Bei Neuentwicklungen empfiehlt sich eine schrittweise Validierung. Prototypen werden zunächst unter realistischen Bedingungen geprüft und anschließend gezielt optimiert. So lassen sich technische Risiken frühzeitig erkennen und die spätere Serienlösung zuverlässig absichern.

Fazit

Drucksensoren für die Luft- und Raumfahrt müssen auch unter stark wechselnden Umwelt- und Betriebsbedingungen stabile und nachvollziehbare Messwerte liefern. Standardprodukte können viele Prüfstands- und Bodenanwendungen abdecken. Für den direkten Einsatz im Flugzeug, für ältere Systeme oder besonders anspruchsvolle Kombinationen aus Temperatur, Druck und Bauraum sind jedoch häufig kundenspezifische Lösungen erforderlich. Entscheidend sind dabei nicht nur Druckbereich und Genauigkeit, sondern auch Temperaturverhalten, Baugröße, Gewicht, Material, Anschlüsse, Vibrationsfestigkeit, Dokumentation und langfristige Verfügbarkeit.