Die innovativen Dünnfilm-Drucksensoren von Kavlico Pressure Sensors verwenden eine TiON-Messzelle in einem verschweißten, hermetisch abgeschlossenen Edelstahlgehäuse und messen den Druck sowie die Temperatur des Mediums.

Die innovativen Dünnfilm-Drucksensoren von Kavlico Pressure Sensors verwenden eine TiON-Messzelle in einem verschweißten, hermetisch abgeschlossenen Edelstahlgehäuse und messen den Druck sowie die Temperatur des Mediums. Kavlico

Grundsätzlich erscheint die Aufgabe einfach: Wer einen Drucksensor auswählen will, etwa für ein Auto, eine Industrieanlage, ein medizinisches Gerät oder eine Klimaanlage, der wählt nach der Genauigkeit des Messumformers und ein paar weiteren technische Eigenschaften schnell und einfach das bestgeeignete Produkt. Tatsächlich ist es aber gar nicht einfach, die Genauigkeit eines Sensors zu ermitteln. Und zweitens erkennt nicht jeder Ingenieur ohne Messtechnik-Expertise diejenigen technischen Eigenschaften, die einen Sensor für eine bestimmte Anwendung geeignet oder ungeeignet machen.

Messgenauigkeit richtig bewerten

Der Theorie nach bezeichnet die Messgenauigkeit eines Drucksensors das Höchstmaß, in dem Messresultate vom tatsächlichen physikalischen Wert eines gemessenen Drucks abweichen können. Und wer in die Datenblätter verschiedener Messumformer schaut, kann meist schnell entsprechende Prozentwerte entdecken. Doch Vorsicht: Das Maß, in dem ein Sensor die physikalische Wirklichkeit wiedergibt, hängt von mehreren Bezugsgrößen ab, die je nach Anwendungszusammenhang unterschiedlich ausfallen können. Die „Genauigkeit“ als allgemeingültige und feste Größe existiert deshalb streng genommen gar nicht. Zudem entscheidet der Hersteller, wie die Genauigkeit seines Sensors im Datenblatt spezifiziert wird.

Die Größen, die jedoch die Genauigkeit von Druckmessern in ihrem Zusammenhang beschreiben können, sind Nichtlinearität, Hysterese, Nichtwiederholbarkeit und maximale Messabweichung. Diese vier Eigenschaften werden jeweils von Aufbau, Messprinzip und Verarbeitung des Messumformers beeinflusst. Für einige dieser Größen bestehen allerdings verschiedene Mess- und Bewertungsverfahren, die es zu beachten gilt. Da deren Verwendung nicht normiert ist, können beispielsweise drei gleichlautende Angaben zur Nichtlinearität drei völlig verschiedene Genauigkeiten beschreiben. Deshalb sollen Nichtlinearität und Co. im Folgenden genauer erläutert werden.

Ermittlung der Nichtlinearität

Die Nichtlinearität bezeichnet die größtmögliche Abweichung der Kennlinie eines Drucksensors von einer Referenzgeraden. Letztere kann über die drei Verfahren Grenzpunkteinstellung, Kleinstwerteinstellung oder Anfangspunkteinstellung ermittelt werden. Das Problem: Aus vielen Datenblättern wird nicht eindeutig ersichtlich, wie und mit welcher Methode die Nichtlinearität ermittelt wurde. Eine weitere Crux: Es ist möglich, dass die Nichtlinearität von Geräten besser ausfällt als angegeben, um so Streuungen und Toleranzen miteinzubeziehen. Hier findet sich die Bezeichnung „typ.“ für typische Genauigkeiten auf dem jeweiligen Drucksensor. Das bedeutet für Anwender, nicht alle Geräte eines Anbieters halten die angegebene Genauigkeit ein.

Eckdaten

Bei der Auswahl von Drucksensoren für anspruchsvolle Anwendungen sollten Entwickler die Angaben zur Genauigkeit, Nichtlinearität, Hysterese, Reproduzierbarkeit, Langzeitstabilität und Messabweichung sowie weitere technische Parameter ein wenig genauer hinterfragen und prüfen. Der Aufwand kann sich lohnen, wenn sich die gesamte Anwendung dadurch genauer, zuverlässiger und sicherer entwickeln lässt.

Die Nichtlinearität lässt sich über drei verschieden Messmethoden ermitteln. Bei der Grenzpunkteinstellung wird einfach eine Referenzgerade durch Kennlinienanfang und -ende gezogen, sodass sich der Zahlenwert für die Nichtlinearität als größtmögliche Abweichung zwischen Kennlinie und Geraden ergibt.

Die Kleinstwerteinstellung (bisweilen auch Best Fit Straight Line, BFSL) funktioniert ähnlich. Hier wird eine Referenzgerade neben die Kennlinie gelegt, allerdings so, dass die maximale positive und die maximale negative Abweichung zwischen Gerade und Kennlinie gleich groß ist (daher „Best Fit“).

Ein in der Praxis kaum anzutreffendes Verfahren ist die Anfangspunkteinstellung, bei der die Abweichung zwischen der Kennlinie und einer festgelegten Kurve gemessen wird, wobei letztere so gelegt ist, dass sie am Anfangswert mit der Kennlinie übereinstimmt und die größte Abweichung den kleinstmöglichen Wert annimmt.

Hysterese, Reproduzierbarkeit und Messabweichung

Die Hysterese bezeichnet bei Materialien den Umstand, dass sie nicht unmittelbar und in Echtzeit auf die Veränderung einer physikalischen Größe reagieren. Wirkt beispielsweise eine Kraft auf einen Werkstoff, hat das in der Regel eine Verformung zur Folge, bei Entlastung bilden sich diese Veränderungen zurück, allerdings häufig verzögert und möglicherweise sogar nicht mehr in den Ausgangszustand. Die Differenz zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf wird als Hysterese bezeichnet und bedeutet für Sensoren, je höher der Hysteresewert, desto ungenauer der Sensor.

Die Nichtwiederholbarkeit für einen Sensor bezeichnet die größte Abweichung aus drei Messungen unter identischen Bedingungen. Die Messabweichung eines Messfühlers lässt sich dagegen unmittelbar aus dessen Kennlinie ablesen. Diese zeigt auch alle relevanten Fehler bei Raumtemperatur. Beispiele sind die genannte Nichtlinearität, Hysterese, Nichtwiederholbarkeit und Messabweichung am Messbereichsanfang und Messbereichsende. Da die Messabweichung ein größerer Wert ist als die Nichtlinearität, legen die meisten Anbieter sie nicht dezidiert offen.

Allgemeine und Schaltpunktgenauigkeit

Die genannten Wert- und Spezifikationsunterschiede sind aber nicht alles, was in Sachen Genauigkeit zu beachten wäre. Es reicht nämlich nicht aus, nur die entsprechenden Eigenschaften des Messumformers zu kennen – auch der Unterschied zwischen Sensor- und Schaltpunktgenauigkeit ist wichtig. Eine Beispiel zum Druckschalter: Die allgemeine Genauigkeit eines elektronischen Druckschalters bezeichnet die Genauigkeit der Druckmessung an sich. Sie ist abhängig vom verwendeten Drucksensor innerhalb des elektronischen Schalters. Nichtlinearität, Nullpunktabweichung, Messspanne, Hysterese und Nichtwiederholbarkeit wirken auf den Sensor und beeinflussen die Genauigkeit von dessen Messungen.

Die Schaltpunktgenauigkeit ist dagegen die Genauigkeit der Schaltpunktlogik, sprich die Genauigkeit, mit der das Ausgangssignal des Drucksensors in ein Anzeigesignal umgewandelt wird. Wer die Genauigkeit eines Schaltpunkts feststellen möchte, muss daher wissen, dass sich der tatsächliche Druck und der betätigte Schaltpunkt unterscheiden können. Essenziell ist die Schaltpunktgenauigkeit als Gesamtgenauigkeit. Sie gibt Aufschluss über den passenden elektronischen Druckschalter für die jeweilige Anforderung. Diese Unterscheidung von allgemeiner Genauigkeit und Schaltpunktgenauigkeit gilt auch für Temperatur-, Füllstands- und Durchflussschalter.

Das alleinige Prüfen der Genauigkeit eines Sensors ist wichtig – aber nicht ausreichend. Wer wirklich den bestgeeigneten Sensor für die eigene Anwendung ermitteln will, kommt nicht umhin, sich auch mit den genauen Anforderungen der Anwendungsumgebung und den entsprechenden Eigenschaften in Frage kommender Messumformer zu beschäftigen. Dabei rechnet sich das Einbeziehen und Abschätzen der Einsatzbedingungen häufig besonders: Einige Hersteller bieten spezielle Sensoren, die sehr genau für bestimmte anspruchsvolle Anwendungen entwickelt wurden.

Umgebungseigenschaften beachten

Raue Umgebungen können sich stark von anderen industriellen Umgebungen unterscheiden; der Begriff bezeichnet in der Regel Anwendungsumgebungen, in denen es häufig zu starken Temperaturschwankungen oder Erschütterungen kommt oder zu anderen Belastungen, die auf die verbauten Drucksensoren wirken. Beispiele für solche Umgebungen wären etwa Stoffkreisläufe in Hochsee-Windkraftanlagen, auf Ölplattformen, in Bergbau-Maschinen oder industriellen Bohrwerkzeugen und ähnlichem. Aber auch Baugruppen innerhalb eher alltäglicher Maschinen wie Autos oder Klimaanlagen können „rauen“ Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein. Und jede davon stellt besondere Anforderungen an Sensoren. So stoßen beispielsweise Messumformer, die bei Raumtemperatur noch ausreichend genau arbeiten, in solchen Umgebungen schnell an ihre Grenzen – und fallen entweder vorzeitig aus oder weisen inakzeptable Messfehler auf.

Ein weiterer Aspekt, der insbesondere im Produktionsumfeld beachtet werden sollte, ist die Langzeitgenauigkeit. Transport, Lager und Co. können bei sehr genauen Messaufnehmern die Messeigenschaften verschlechtern und die Genauigkeit des jeweiligen Messgeräts beeinflussen. Zudem ändert sich die Genauigkeit im Produktlebenszyklus. Deshalb sollte die Stabilität des Geräts eine ebenso große Rolle spielen wie die Genauigkeit. Auch hier gilt: Die Stabilitätsangaben der einzelnen Anbieter lassen sich zumeist kaum miteinander vergleichen, da sie auf unterschiedlichen Tests und Grundlagen basieren. Außerdem variieren die tatsächlichen Einsatzbedingungen von Anwendung zu Anwendung stark. Drucksensoren in Tiefenbohrern bei der Erdölförderung sind anderen Bedingungen ausgesetzt als Drucksensoren in der Fabrikhalle eines kleinen mittelständischen Betriebs. Allgemeine Stabilitätsangaben sind per se einfach nicht möglich. Einsatz- und Langzeitgenauigkeit weichen zumeist sehr stark von den Angaben im Datenblatt ab.

Spezielle Drucksensoren

Keramisch-kapazitive Drucksensoren sind meist so temperaturstabil, dass sie sich in einem breiten Anwendungsbereich einsetzen lassen.

Keramisch-kapazitive Drucksensoren sind meist so temperaturstabil, dass sie sich in einem breiten Anwendungsbereich einsetzen lassen. Kavlico

Je nachdem, in welcher Umgebung eine Anwendung laufen soll, kann sich der Griff zu speziellen Sensoren rechnen. Erstens optimieren die Hersteller ihre Messumformer grundsätzlich für bestimmte Drücke und Einsatzbedingungen oder für allgemeine Eigenschaften wie Größe und Preis. Doch einige Hersteller gehen noch weiter: Sie stellen Fahrzeugentwicklern beispielsweise Messfühler für die Differenzdruckmessung in Dieselpartikelfiltern zur Verfügung, die besonders widerstandsfähig gegen Abgaspartikel und Vibrationen sind, oder bieten wasserstoffbeständige Sensoren für den Einsatz in medizinischen Geräten an. Diese Sensoren sind exakt auf die Anforderungen der Kunden abgestimmt und konstruiert.

Ist die Entwicklung  für derartige Spezialsensoren aus Kostengründen nicht vertretbar, können Entwickler bisweilen auch auf Standard-Sensoren mit einigen wenigen, besonderen Eigenschaften zurückgreifen. So sind keramisch kapazitive Drucksensoren meist so temperaturstabil, dass sie in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt werden können. Dünnfilm-Drucksensoren, bei denen der Messdruck auf eine Stahlmembran wirkt, können dagegen hermetisch verschweißt werden – das macht sie Leckage-frei und zur naheliegenden Wahl für Anwendungen, die gefährliche Stoffe führen. Silizium-Drucksensoren eignen sich dagegen meist nur für den Einsatz mit geringeren Temperaturen und Drücken; wer sie in anspruchsvollen Anwendungen einsetzen will, muss meist auf speziell angepasste Einzelprodukte zurückgreifen.

Die Mühe lohnt sich

Den bestgeeigneten Sensor für eine anspruchsvolle Anwendung zu wählen, kann mit etwas Aufwand verbunden sein, doch dieser Aufwand kann sich lohnen. Wer die Genauigkeitswerte und technischen Eigenschaften prüft, kann die gesamte Anwendung genauer, zuverlässiger und sicherer machen – und das sollte ein wenig Auseinandersetzung mit einigen Grundlagen der Messtechnik durchaus rechtfertigen.