Die detaillierte Funktionsweise von Drucksensoren anschaulich erklärt

Mar 22, 2018 5:09:23 PM
In einer modernen und hoch technologisierten Industrie werden sehr viele Sensoren benötigt, die im Laufe der Entwicklung immer präzisere Messergebnisse liefern müssen, um Verfahren und Anwendungen zu verbessern. Daraus können sich ein beschleunigtes Wachstum sowie eine erhöhte Produktion entwickeln. Im Folgenden geht es vor allem um Drucksensoren im Detail. Diese werden beinahe in der gesamten Industrie benötigt und spielen damit eine wesentliche Rolle für den Erfolg oder Misserfolg eines Unternehmens. Für das grundsätzliche Verständnis von Drucksensoren, ist es allerdings von Vorteil zunächst wesentliche Fachbegriffe sowie den Aufbau und die Funktionsweise eines Drucksensors verstanden zu haben, welche nun im Folgenden erklärt werden sollen.

 

Social-Media-Bild-Drucksensor-Funktionsweise

 

Gliederung

1. Was ist physikalischer Druck?

2. Was ist ein Drucksensor?

3. Welche Drucksensortypen gibt es?

4. Welche Materialien werden bei Drucksensoren verwendet?

5. Wie funktioniert die Wheatstonesche Messbrücke?

6. Wie ist ein Drucksensor aufgebaut?

    6.1 Welche Druckanschlüsse gibt es?

    6.2 Was ist eine Druckmesszelle?

    6.3 Was ist eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC?

    6.4 Elektrischer Anschluss / Bus-Systeme

7. Wie wird Druck gemessen?

    7.1 Die Dünnfilm-auf-Stahl Technologie

    7.2 Die Dickschicht-auf-Keramik Technologie

    7.3 Die piezoresistive Technologie

    7.4 Die piezoelektrische Technologie

    7.5 Die kapazitive Technologie

    7.6 Die induktive Technologie

  

1. Was ist physikalischer Druck?

Die physikalische Größe Druck p resultiert aus einer Kraft F, die senkrecht auf eine Fläche A wirkt (p=F/A). Im internationalen Einheitensystem SI gilt für den Druck die Einheit Pascal Pa. Allerdings wird in der Technik auch oft die Einheit Bar bar verwendet, dabei gilt 1 bar = 100.000 Pa.

 

 

2. Was ist ein Drucksensor?

Ein technisches Bauteil, das die physikalische Größe Druck als Messgröße quantitativ erfassen kann, nennt man Drucksensor, Druckaufnehmer, Druckmessumformer. Die Größe Druck wird mit Hilfe von physikalischen Effekten erfasst und danach in ein elektrisches Signal umgewandelt. Drucksensoren werden verwendet um einen stationären Druck, eine Druckdifferenz oder eine Druckschwankung zu messen.

 

 

3. Welche Drucksensortypen gibt es?

Zurzeit gibt es drei gängige Messverfahren von Drucksensoren im Handel, die nun im Folgenden vorgestellt werden:

 

  • Relativdrucksensor: Diese Art von Sensor ist der am häufigste eingesetzte Drucksensor. Dabei wird der Druckunterschied zwischen dem Atmosphärendruck und dem gemessenen Druck berechnet.

relativdrucksensor-2

 

  • Differenzdrucksensor: Dieser Sensortyp vergleicht die Druckdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Messkammern. Sind dabei die Druckänderungen beider Messkammern gleich, kann folglich auch keine Druckdifferenz erfasst werden.

  • Absolutdrucksensor: Dieser Sensortyp misst den Druck relativ zum Vakuum (0 bar).

absolutdrucksensor-1

 

4. Welche Materialien werden bei Drucksensoren verwendet?


  • Metalle (1.4305, 1.4404, 1.4435, 1.4462, 1.4542,…)
  • Keramik (Al2O3)
  • Titan Grad 5
  • Quarz
  • Silizium

Die oben aufgeführten Materialen werden bei der Herstellung von Sensoren verwendet. Die Wahl des passenden Materials spielt hierbei eine wesentliche Rolle bei der Sensorperformance.

 

5. Wie funktioniert die Wheatstonesche Messbrücke?

Die Wheatstonesche Messbrücke ist eine Messeinrichtung, um kleine elektrische Widerstandsänderungen ohmscher Art zu messen. Auf einer Siliziummembran werden vier verbundene Widerstände zu einer Wheatstoneschen Messbrücke eindiffundiert. Diese vier Widerstände bilden einen geschlossenen Ring. Dabei sind zwei dieser Dehnmessstreifen auf Dehnung in radialer Richtung empfindlich und zwei auf Dehnung in tangentialer Richtung. Ein Spannungsmessgerät verbindet die zwei parallel zueinander liegenden Spannungsteiler. Die daraus resultierende gemessene Größe ist dabei die Spannungsdifferenz der zwei Spannungsteiler. Die geringsten Verformungen der Siliziummembran haben eine lineare Änderung des elektrischen Widerstands der Dehnmessstreifen zur Folge.

 

Mehr Informationen über die Funktionsweise und Einsatzgebiete von Sensoren finden Sie im Buch "Sensoren in Wissenschaft und Technik" von Ekbert Hering und Gert Schönfelder.

 

 

6. Wie ist ein Drucksensor aufgebaut?

 

Aufbau einen Drucksensors mit Messzelle und ASIC

 

6.1. Welche Druckanschlüsse gibt es?

Es gibt unterschiedliche Arten von Druck Anschlussstücken und von Anschlüssen an Druckreglern, im Folgenden sind die wichtigsten Beispiele aufgelistet:

 

  • Schraubgewinde: G1/8“; G1/4“; M10x1; M12x1,5; R1/8“; R1/4“; außen, innen
  • Schneid- Klemmtechnik: Rohrstück mit 3mm; 6mm; 1/8“; 1/4“; außen
  • Manometer Anschlüsse: G1/4“; G1/2“ außen
  • NPT 1/4" außen

 

 

6.2. Was ist eine Druckmesszelle?

Die Messzelle ist der Teil eines Sensors, von dem das Drucksignal ausgeht. Je nachdem wie gut die Verarbeitung und die Materialauswahl durchgeführt wurden, desto besser kann der ASIC das erhaltene Signal verarbeiten. Dabei hängt die Wahl einer für den Messvorgang optimalen Messzelle von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. unter anderem der Druckmessbereich, das Messprinzip, das Messmedium, der Temperaturmessbereich, die Messgenauigkeit und noch einigen weiteren Faktoren. Außerdem spielt natürlich die Anwendung selbst eine wesentliche Rolle sowie notwendige Zulassungen.

 

 

6.3. Was ist eine Anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC?

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Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC ist ein integrierter Schaltkreis, der wie der Name schon sagt, für eine Anwendung hergestellt wurde und damit nachträglich nicht mehr verändert werden kann. Der ASIC ist das Herzstück des Sensors und hat die Aufgabe alle Daten zu verarbeiten, um diese über ein elektrisches Signal an andere Systeme senden zu können. Der ASIC wird unter anderem bei Drucksensoren benötigt, um aus der gemessenen Spannungsdifferenz die physikalische Größe Druck zu generieren. Außerdem kann auch die Genauigkeit und der Messbereich mit einem entsprechenden ASIC vergrößert werden.

 

 

6.4. Elektrischer Anschluss/ Bus-Systeme

Wie bei den Druckanschlüssen gibt es auch bei den elektrischen Anschlüssen eine Vielzahl von Möglichkeiten das elektrische Signal zu übertragen:

  • Direkter Kabelabgang (PUR / FEP / PE / Teflon / Radox)
  • Gerätestecker (M12x1/ Binder / MIL-C 26482 / Packard Metri Pack / Industriestandard / EN 175301-803-A)
  • Schraubklemme 0,75…2,5 mm²

 

 

7. Wie wird Druck gemessen?

Die Erfassung der physikalischen Größe Druck kann unterschiedlich erfolgen. In der elektronischen Druckmessung sind jedoch die drei gängigsten Messmethoden, die Dünnfilm-auf-Stahl Technologie, die Dickschicht-auf-Keramik Technologie und die piezoresistive Technologie. Im Folgenden stellen wir diese drei Messmethoden sowie drei weitere vor.

 

 

 

7.1. Die Dünnfilm-auf-Stahl TechnologieDünnfilm auf Stahl Technologie

Die Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie basiert auf einem komplett verschweißten metallischen Sensorsystem. Auf diesem werden die vier zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschalteten Widerstände aufgebracht. Integriert man nun den Drucktransmitter in ein zu messendes System, kann der Druck des Systems gemessen werden. Der auf das Sensorsystem wirkende Druck verursacht dabei eine Wölbung der Dehnmessstreifen. Als Resultat entsteht eine Widerstandsänderung innerhalb der Wheatstoneschen Messbrücke. Diese Widerstandsänderung kann über eine Transformation innerhalb des ASICs als Druck ausgelesen werden.

 

Vorteile der Dünnfilm-auf-Stahl Technologie

Sehr gute Langzeitstabilität
Resistent bei hohen Medientemperaturen
Sehr großer Druckbereich möglich
Komplett verschweißtes Sensorsystem aus Edelstahl ohne O-Ringe
Sehr gute Überdruckfestigkeit, ideal für Nenndrücke bis 3000 bar
Mit besonderer Stahllegierung optimal bei Wasserstoffanwendungen
Hohe Genauigkeit bei kleiner Bauweise
Keine Nachkalibration erforderlich 
+ Wirtschaftlich

 

 

Nachteile der Dünnfilm-auf-Stahl Technologie

- Keine Absolutmessung möglich
- Anfällig bei aggressiven Medien

 

 

 

 

 

7.2. Die Dickschicht-auf-Keramik Technologie

Der entscheidende Unterschied der Dickschicht-auf-Keramik-Technologie zur Dünnfilm-auf-Stahl-Technologiecsm_PIM-300-002_Teaser_Zoom_13eec38b83beruht auf der Aluminiumoxid-Keramik Membran. In diesem Fall wird die Wheatstonesche Messbrücke auf die Membran gedruckt und bei hoher Temperatur eingebrannt. Die Druckmessung erfolgt nach dem gleichen Prinzip, wie bei der Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie. Der Druck des zu messenden Systems wirkt auf die Keramik Membran und wölbt diese. Diese Wölbung hat eine Widerstandsänderung der Wheatstoneschen Messbrücke zur Folge, welche wiederum über ein ASIC als Druck ausgelesen werden kann.

Dickschicht auf Keramik

 

Vorteile der Dickschicht-auf-Keramik Technologie

Resistent gegen aggressive Medien
Ideal für niedrige Druckbereiche
Absolutmessungen möglich

Keine Nachkalibration erforderlich 

Wirtschaftlich

 

Nachteile der Dickschicht-auf-Keramik Technologie

- Kein großer Druckbereich
- Etwas größere Bauform notwendig

 

 

#Die piezoresistive Technologie7.3. Die piezoresistive Technologie

Die piezoresistiven Drucksensoren basieren auf der Technologie der Wheatstoneschen Messbrücke. Die daraus erhaltene Widerstandsänderung kann der in dem Sensor integrierte Mikrochip in die physikalische Größe Druck umrechnen. Das hochsensible piezoresistive Sensorelement befindet sich in einem Druckmittler, der das Vordringen des Messmediums in das Druckmessglied verhindern soll. Das Messsystem wird mit einer Flüssigkeit gefüllt (z.B. Silikonöl, Glycerin oder Weißöl). Die Siliziummembran überträgt dabei den Druck auf die Flüssigkeit und diese den besagten Druck auf das Druckmessgerät.

 

Vorteile der piezoresistiven Technologie

+ Extreme Genauigkeit
+ Sehr gute Überdruckfestigkeit
+ Hervorragende Empfindlichkeit
+ Hoher Messbereich
+ Sehr kleine Bauweise

 

Nachteile der piezoresistiven Technologie

- Temperaturkompensation notwendig
- Übertragungsmedium notwendig

- Regelmäßiges nachkalibrieren notwendig

- Sehr teuer

 

 

7.4. Die piezoelektrische Technologie

Bei piezoelektrischen Drucksensoren wird der piezoelektrische Effekt ausgenutzt, indem der auf den Sensor einwirkende Druck die Ionen innerhalb des Kristalls verschiebt. Diese Ladungsverschiebung hat eine Spannungsdifferenz zur Folge die proportional zur Kraft wirkt. Durch einen Ladungsverstärker kann diese Spannungsdifferenz ausgelesen werden und mit einem ASIC in die physikalische Größe Druck umgerechnet werden.

 

Vorteile der piezoresistiven Technologie

Keine Spannungsversorgung notwendig
Sehr unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen
Erfasst auch kurze Druckspitzen

 

Nachteile der piezoresistiven Technologie

- Ladungsverstärker notwendig
- Nicht anwendbar bei konstanten Drücken

- Regelmäßiges nachkalibrieren notwendig

- Sehr teuer

 

 

7.5. Die kapazitive Technologie

In der kapazitiven Druckmessung wird die Kapazitätsänderung eines Kondensators ausgenutzt. Die Auslenkung der verformbaren Kondensatorplatte hat eine Abstandsänderung der beiden Kondensatorplatten zur Folge. Die Kapazität verändert sich damit reziprok zum Plattenabstand und damit zur Auslenkung der Kondensatorplatte, auf die eine Kraft wirkt. Bei kleinen Abstandsänderungen kann die Kapazitätsänderung linearisiert werden und bietet damit eine verwendbare Information, die über den ASIC als Druck transformiert werden kann

 

Vorteile der kapazitiven Technologie

Hohe Genauigkeit
Robuster Aufbau
Für dynamischen Einsatz geeignet
Hohe Temperaturstabilität

 

Nachteile der kapazitiven Technologie

- Ungenau bei hohen Drücken
- Staub- und feuchte-empfindlich
- Spezialkabel mit sehr guter Isolation erforderlich

 

 

7.6. Die induktive Technologie

In der induktiven Technologie wird mit Hilfe des Querankerprinzips beziehungsweise des Tauchankerprinzips die Wegänderung des Verformungskörpers gemessen, auf den der Druck wirkt. Hierbei wird die Induktivitätsänderung gemessen, welche sich reziprok zur Wegänderung verhält. Auch hier kann bei kleinen Induktivitätsänderungen wieder eine Linearität angenommen werden und damit ein Zusammenhang zum Messwert Druck hergestellt werden.

 

Vorteile der induktiven Technologie

Hohe Genauigkeit
Kleine Bauweise
Geringes Gewicht
Geringe Kosten

 

Nachteile der induktiven Technologie

- Hohe Temperaturen führen zu Ungenauigkeiten
- Schwankungen der Permeabilität des Kernmaterials führt zu größeren Messfehlern

 

 

 

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Picture of Simon Weimer

By Simon Weimer

Simon Weimer konnte seine Passion für die Technik und den Vertrieb in der Firma Trafag als Vertriebsingenieur vereinen. Fundierte technische Kenntnisse eignete sich Simon schon in seinem Physikstudium an der Eberhard Karls Universität Tübingen an. Dabei hielt er sich als Teil des Masterstudiums, in Form einer wissenschaftlichen Kooperation, an der angesehenen Chiba Universität in Japan auf. Als Folge wurden seine Ergebnisse in der Wissenschaftszeitschrift Journal of Materials Research publiziert.

Über diesen Blog

Mit diesem Blog möchten wir Wissen über Drucksensoren, Druckschalter und Gasdichtewächter  vermitteln.

 

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