Was Drucksensoren wirklich leisten können

Ein Drucksensor ist ein elektronisches Bauteil, das den Gas- oder Flüssigkeitsdruck überwacht oder erfasst und diese Information in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal kann zur Überwachung oder Regelung des Drucks verwendet werden.

Zunächst ist es sinnvoll, einige grundlegende Definitionen zu erläutern. Druck ist die Größe der Kraft, die ein Gas oder eine Flüssigkeit auf eine Flächeneinheit ausübt. Die Beziehung zwischen Druck (P), Kraft (F) und Fläche (A) ist durch die Gleichung P=F/A gegeben. Die Einheit für Druck ist Pa, definiert als ein N/m2. Druck kann auch als die Kraft beschrieben werden, die erforderlich ist, um die Ausdehnung einer Flüssigkeit zu verhindern.

Welche verschiedenen Sensor-Technologien gibt es?

Drucksensoren basieren auf verschiedenen Technologien, die letztendlich bestimmen, wie ein bestimmter Drucksensor funktioniert. Obwohl viele der aktuell erhältlichen Drucksensoren für eine breite Palette von Flüssigkeiten und Gasen verwendet werden können, erfordern einige Flüssigkeiten, die zähflüssiger oder dickflüssiger sind (Papiermasse, Asphalt, Rohöl usw.), maßgeschneiderte Drucksensoren. Dennoch gibt es für fast jedes Szenario einen geeigneten Sensortyp.

Was unterscheidet Drucksensoren, Druckmessumformer und Druckübertrager?

Grundsätzlich sind Drucksensoren, Druckmessumformer und Druckübertrager in ihrer Funktion vergleichbar, weshalb die Begriffe oft synonym verwendet werden. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen liegen in ihren Ausgangssignalen.

Ein Drucksensor misst die Kraft des Drucks und erzeugt ein Ausgangssignal, das der Größe der ausgeübten Kraft entspricht. Ein Druckmessumformer wandelt die erfasste Kraft in eine kontinuierliche Spannung (V) um, während ein Druckübertrager oder Drucktransmitter die erfasste Kraft in einen Strom (mA) umwandelt.

Im allgemeinen Sprachgebrauch werden Drucksensoren mit einer Vielzahl von Begriffen bezeichnet, z. B. Druckwandler, Drucktransmitter, Drucksender, Druckanzeiger, Piezometer und Manometer. Unabhängig von der Nomenklatur werden diese Geräte zur Überwachung und Regelung des Drucks in zahlreichen Anwendungen eingesetzt und können auch zur Messung anderer Größen wie Flüssigkeits-/Gasdurchfluss, Höhe und Wasserstand verwendet werden.

Wichtige Größen bei der Druckmessung

Im Bereich der Druckmessung gibt es eine Vielzahl von Größen, die man beachten muss, um eine optimale Systemleistung und Messgenauigkeit zu gewährleisten. Der spezifische Typ des verwendeten Drucksensors kann sich erheblich auf diese Faktoren auswirken, da der Druck in der Regel im Verhältnis zu einer Referenz gemessen wird, z. B. dem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe.

Eine wichtige Größe ist der Über- beziehungsweise Unterdruck oder Vakuumdruck, der das Verhältnis des gemessenen Drucks zum örtlichen Umgebungs- oder Atmosphärendruck darstellt. Der angezeigte Druck ist entweder höher oder niedriger als der örtliche atmosphärische Druck.

Der Absolutdruck gibt den Druck relativ zu einem Referenzwert von Nulldruck oder Vakuum an. Der mit einem Absolutdrucksensor ermittelte Messwert bleibt unabhängig vom Messort derselbe.

Der Differenzdruck ist der Druckunterschied zwischen zwei verschiedenen Punkten in einem System. Er wird häufig zur Berechnung des Durchflusses von Flüssigkeiten oder Gasen in Rohrleitungen verwendet.

Der Verbunddruck schließlich umfasst die Messung von Über- und Unterdruck, d. h. eine Kombination aus Überdruck und Unterdruck.

Gängige Druckmesstechniken

Im Folgenden ist einen Überblick über die wichtigsten Druckmesstechniken und ihre Anwendungen gegeben:

• Kapazitiv:  Durch den Druck wird eine Membran durchgebogen, die sich zwischen den Platten eines Kondensators befindet. Der Sensor erfasst die dadurch verursachte Änderung der elektrischen Kapazität.
• Induktiv:  Durch den Druck wird eine Membran ausgeklengt, die mit einem Magnetkern verbunden ist. So wird eine lineare Bewegung des Kerns verursacht. Diese Bewegung verändert den induzierten Strom und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.
• Optisch: Eine Lichtquelle wird durch einen Druckanstieg allmählich blockiert. Ein Sensor erzeugt ein Signal, das proportional zur Veränderung des Lichts ist. Faseroptische Sensoren können ebenfalls dazu verwendet werden, druckbedingte Änderungen des Weges und der Phase des Lichts zu messen.
• Piezoelektrisch: In einem piezoelektrischen Quarz- oder Keramikmaterial erzeugt Druck eine Ionenverschiebung im inneren des Materials, wodurch sich an der Oberfläche eine elektrische Ladung bildet, die proportional zur Stärke des Drucks ist. Die piezoresistive Technologie misst den Druck, indem sie die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials nutzt, wenn dieses gedehnt wird.
• Potentiometrisch: Hier wird eine Widerstandskomponente (Potentiometer) und ein Gleitarm verwendet, der mit einer Rohrfeder verbunden ist. Wenn sich der Druck ändert, bewegt sich der Arm, und das Potentiometer erzeugt ein relatives Signal auf der Grundlage des Kraftniveaus.
• Resonanz: Durch den Druck wird Kraft auf eine Membran mit einem schwingenden Draht ausgeübt. Dadurch verändert sich die Resonanzfrequenz des Drahtes, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
• Dehnungsmessstreifen: Der Druck bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstands, der mit der aufgebrachten Kraft schwankt. Dieser Widerstand kann gemessen werden.

Welche Typen von Drucksensoren gibt es?

Um Drucksensoren zu verstehen, ist es auch wichtig, die verschiedenen Typen zu kennen. Im Folgenden werden die Grundtypen vorgestellt:

• Membransensoren: Sie bestehen aus dünnen flexiblen runden Metallplatten, die sich unter Druck verformen.
• Versiegelte Sensoren: Sie verwenden den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe als Referenzdruck.
• Halbleitersensoren: Diese Sensoren ohne bewegliche Teile verwenden ein Halbleiterschaltelement, z. B. einen Feldeffekttransistor, zur Druckmessung.
• Dehnungsmessstreifen-Sensoren: Der Widerstand, der durch eine Längenänderung aufgrund einer äußeren Kraft verursacht wird, wird gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
• Dünnschichtsensoren: Wie der Name schon sagt, verwenden diese Sensoren einen dünnen Film, der Widerstandselemente enthält, die ihren Widerstand aufgrund von Längen- und Dickenänderungen, die durch Druck verursacht werden, ändern.
• Vakuumsensoren: Sie messen Drücke, die unter dem atmosphärischen Niveau liegen. In der Regel arbeiten sie mit piezoelektrischer Technologie oder messen das Gasvolumen in einem bestimmten Raum.
• Belüftete Sensoren: Sie messen den Druck im Verhältnis zum barometrischen Umgebungsdruck.

Designüberlegungen

Unter Berücksichtigung der oben genannten Drucksensor-Technologien, -Messungen und -Typen gibt es beim Design verschiedene Auswahlkriterien, die man beachten sollte. Der erste Schlüsselparameter ist der Betriebsdruckbereich, der den sicheren Druckbereich angibt, in dem die Komponente gemäß den Angaben des Herstellers arbeitet. Der Betriebstemperaturbereich, der maximale Druck, den der Sensor vor einem Ausfall tolerieren kann, und der Ausgangstyp (analog/digital) sind ebenfalls wichtige Faktoren. Ausgangspegel, Genauigkeit und Drift, Auflösung, Versorgungsspannung und Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Einwirkung von Flüssigkeiten und Strahlung sowie die physische Entfernung zwischen dem Sensor und dem empfangenden Gerät sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Fazit

Als Elektroingenieur ist es wichtig zu verstehen, dass die Messung von Druck und die Nutzung dieser Daten für die Prozesssteuerung und -überwachung in vielen Branchen, wie z. B. in der Fertigung und im Gesundheitswesen, von entscheidender Bedeutung ist. Die Auswahl des richtigen Drucksensors für eine bestimmte Anwendung erfordert eine sorgfältige Abwägung der Betriebsparameter, wie Sensortyp, Druckbereich, Temperaturbereich, Höchstdruck, Ausgangstyp, Genauigkeit, Auflösung, Versorgungsspannung und Umgebungsfaktoren.