Ein Drucksensor wandelt mechanische Druckänderungen in Gasen oder Flüssigkeiten in elektrische Signale um. Die am weitesten verbreiteten Arten von Drucksensoren basieren auf dem piezoresistiven, dem kapazitiven oder dem piezoelektrischen Prinzip.
Wie funktioniert ein Drucksensor?
Ein Drucksensor misst den Druck, indem sich eine Messmembran unter Druckeinwirkung verformt. Diese Verformung wird durch verschiedene Sensortechnologien in ein elektrisches Signal umgewandelt, aufbereitet und an externe Geräte zur Überwachung und Steuerung druckabhängiger Prozesse übertragen. Die Druckmessung ist eine der wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Technologien zur Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen in der Prozesstechnik. Für die unterschiedlichsten Anwendungen bietet Baumer ein breites Portfolio an Drucksensoren.
Ein Drucksensor besteht aus mehreren Hauptkomponenten. Zum Aufbau eines Drucksensors gehören eine Messmembran, die sich bei Druckänderungen verformt, ein Druckaufnahmebereich mit einer Eingangsöffnung, verschiedene Sensorelemente (z. B. piezoelektrisch, kapazitiv oder piezoresistiv), eine Signalverarbeitungseinheit zur Verstärkung und Verarbeitung der Signale, ein Schutzgehäuse sowie elektrische und mechanische Anschlüsse zur Verbindung mit externen Geräten. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um genaue Druckmessungen für verschiedene Anwendungen zu ermöglichen.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Arten von Drucksensoren, die auf unterschiedlichen Prinzipien basieren:
Resistive Drucksensoren messen Druck durch Änderung des elektrischen Widerstands bei mechanischer Einwirkung auf ein Material.
Piezoelektrische Drucksensoren erzeugen elektrische Spannung durch Ladungsverschiebung in einem piezoelektrischen Material bei Druckbelastung.
Kapazitive Drucksensoren erfassen die Kapazitätsänderung eines Kondensators, verursacht durch die Verformung einer Membran.
Induktive Drucksensoren messen Druck durch Änderung der Induktivität einer Spule bei Bewegung eines Magnetkerns oder einer Membran.
Drucksensoren mit Hall-Element nutzen den Hall-Effekt zur Messung von Druckänderungen.
MEMS-Drucksensoren nutzen mikromechanische Strukturen auf einem Siliziumchip zur Druckmessung.
Baumer hat sich auf die verbreiteten resistiven Drucksensoren und piezoresistiven Drucksensoren spezialisiert. Hier finden Sie die Baumer Drucksensoren.
Techniken für die Druckmessung
Absolutdruck
Der Absolutdruck ist der Druck relativ zu einem vollständigen Vakuum und daher immer positiv. Er wird in Einheiten wie Pascal (Pa), Bar oder Psi (abs) gemessen. Die Messung erfolgt mit Sensoren, die ein Vakuum als Referenz verwenden. Häufig verwendete Sensoren sind MEMS-Sensoren, kapazitive Sensoren und piezoresistive Sensoren, die die Verformung einer Membran oder die Änderung elektrischer Eigenschaften zur Druckmessung nutzen.
Typische Anwendungsbereiche:
Überwachen oder steuern von physikalischen Vorgängen in Abhängigkeit zum Absolutdruck, wie z. B. Dampfdruck in Sterilisatoren oder Autoklaven
Der Relativdruck wird im Verhältnis zum aktuellen Luftdruck gemessen und kann positive oder negative Werte annehmen. Er wird in Einheiten wie Pascal (Pa), Bar oder Psi (Gauge) angegeben. Relativdrucksensoren müssen regelmäßig kalibriert werden und verwenden verschiedene Technologien wie piezoelektrische und kapazitive Sensoren, um Druckunterschiede in elektrische Signale umzuwandeln. Viele dieser Sensoren verfügen über eine Entlüftungsbohrung zur Referenzierung.
Haltekraft durch Vakuumierung bei Werkstückhandling
Druckmessung in Hydraulik- oder Pneumatiksystemen
Differenzdruck
Der Differenzdruck misst den Druckunterschied zwischen zwei Punkten im System und kann positive oder negative Werte annehmen. Er wird in Einheiten wie Pascal (Pa), Bar oder Psi gemessen und verwendet verschiedene Sensortechnologien wie kapazitive und piezoelektrische Drucksensoren. Differenzdrucksensoren sind weniger abhängig von äußeren Umgebungsbedingungen und erfordern eine regelmäßige Kalibrierung. Der Differenzdruck kann auch mit zwei separaten Sensoren gemessen werden, indem die beiden Signale in der Steuerung zu einem Differenzdruck verarbeitet werden.
Die Veränderung des spezifischen Widerstandes und somit des Signals ergibt sich bei Halbleitermaterialien aus der veränderlichen Beweglichkeit der Elektronen in der kristallinen Struktur. Die Beweglichkeit wird durch die mechanische Belastung beeinflusst. Über eine Edelstahlmembran (Kapselung) erfolgt die Trennung zwischen dem empfindlichen Silizium-Chip und dem Prozessmedium. Zur internen Druckübertragung dient als Übertragungsflüssigkeit je nach Applikation Paraffin- oder Silikonöl.
Die Veränderung des spezifischen Widerstandes und somit des Signals ergibt sich bei Halbleitermaterialien aus der veränderlichen Beweglichkeit der Elektronen in der kristallinen Struktur. Die Beweglichkeit wird durch die mechanische Belastung beeinflusst. Über eine Edelstahlmembran (Kapselung) erfolgt die Trennung zwischen dem empfindlichen Silizium-Chip und dem Prozessmedium. Zur internen Druckübertragung dient als Übertragungsflüssigkeit je nach Applikation Paraffin- oder Silikonöl.
Transmitter mit piezoresistiver Silizium-Technologie zeichnen sich durch hohe Messgenauigkeit und Langzeitstabilität aus. Aufgrund ihres vollverschweissten Gehäuses sind sie langlebig und können auch in Ex-Bereichen eingesetzt werden (ATEX).
Die Drucksensoren eignen sich selbst für kleine Messbereiche, insbesondere für hydrostatische Füllstandsmessungen ab einer Höhe von 0,5 m.
Der Grundkörper besteht aus einem Keramikmonolith, auf dessen Membrane rückseitig die Widerstande aufgedruckt werden. Auf diese Seite wirkt als Referenzdruck der Umgebungsluftdruck. Prinzip bedingt ist damit nur die Messung des Relativdruckes möglich. Keramikmesszellen zeichnen sich durch eine gute Langzeitstabilitat und Korrosionsbeständigkeit aus. Da Keramik nicht mit dem Prozessanschluss verschweisst werden kann, ist eine Dichtung zur Medientrennung notwendig. Bei der Keramik-Dickschicht-Technologie werden vier Widerstände zu einer Wheatstone’schen Brücke verschaltet. In der Mitte der Membrane erfahren die Widerstände unter Druckbeaufschlagung die höchste Dehnung, in den Randbereichen die grösste Stauchung. Bei Keramikzellen ist die Messmembran gleichzeitig die Trennmembran zum Medium. Es wird keine interne Übertragungsflüssigkeit benötigt.
Die messende Schicht befindet sich zwischen einer dünnen Keramikmembranscheibe und einem Keramikgrundkörper. Den notwendigen Spielraum für die Durchbiegung der Membrane entsteht durch den gezielt erzeugten Abstand. Das dadurch gebildete Volumen kann mit dem Umgebungsdruck belüftet oder evakuiert werden, was die Messung des Relativ- oder Absolutdruckes ermöglicht. Keramikmesszellen zeichnen sich durch eine gute Langzeitstabilität und Korrosionsbeständigkeit aus. Da Keramik nicht mit dem Prozessanschluss verschweisst werden kann, ist eine Dichtung zur Medientrennung notwendig. Bei der Keramik-Dickschicht-Technologie werden vier Widerstände zu einer Wheatstone’schen Brücke verschaltet. In der Mitte der Membrane erfahren die Widerstände unter Druckbeaufschlagung die höchste Dehnung, in den Randbereichen die grösste Stauchung. Bei Dünnfilmzellen ist die Messmembran gleichzeitig die Trennmembran zum Medium. Es wird keine interne Übertragungsflüssigkeit benötigt.
Der Grundkörper besteht aus Edelstahl. Die Widerstandsstruktur entsteht durch Fotolithografie. Dünnfilm-Messzellen zeichnen sich durch ausgezeichnete Resistenz gegen Druckspitzen und Berstdrücke aus. Selbst extrem hohe Drücke können zuverlässig gemessen werden – auch bei hohen Schocks und Vibrationen. Bei der Metall-Dünnfilm-Technologie werden vier Widerstände zu einer Wheatstone’schen Brücke verschaltet. In der Mitte der Membrane erfahren die Widerstände unter Druckbeaufschlagung die höchste Dehnung, in den Randbereichen die grösste Stauchung. Bei Dünnfilmzellen ist die Messmembran gleichzeitig die Trennmembran zum Medium. Es wird keine interne Übertragungsflüssigkeit benötigt. In der Regel wird die Dünnfilm-Technologie nur für die Messung des Relativdruckes angeboten, da die Schaffung eines Vakuums auf der Rückseite der Membrane konstruktiv einen hohen Aufwand erfordert.
Temperaturabhängigkeit und Temperaturtoleranz
Die Genauigkeit eines Drucksensors wird stark von der Umgebungs- und Mediumstemperatur beeinflusst. Die Temperaturtoleranz jedes Sensors bestimmt seine Genauigkeit bei verschiedenen Temperaturen.
Die Angabe des Standardmessfehlers und/oder der maximalen Messabweichung erfolgt in Bezug auf eine Referenztemperatur, die in der Regel 20 °C beträgt. Ein Sensor wird jedoch üblicherweise weder bei 20 °C noch bei einer konstanten Temperatur betrieben. Dies wirkt sich entsprechend auf den Standardmessfehler und die maximale Messabweichung aus, die dadurch verschlechtert werden können.
Bei Betriebsbedingungen, die von der Referenztemperatur (z. B. 20 °C) abweichen, muss daher der Standardmessfehler oder die maximale Messabweichung des Sensors berücksichtigt werden. Ein temperaturstabiler Drucksensor mit geringerer Anfangsgenauigkeit ist in vielen Fällen einem instabileren Drucksensor mit höherer Anfangsgenauigkeit vorzuziehen, wenn die Betriebstemperatur von der Referenztemperatur (z.B. 20°C) abweicht.
Temperaturabhängigkeit der max. Messabweichung
Temperaturabhängigkeit und unterschiedliche Initialgenauigkeit; blau: hochstabiler Baumer Drucksensor, grau: Beispiele von Marktbegleitern, blau gestrichelt: hochstabiler Baumer Drucksensor mit leicht geringerer Initialgenauigkeit
Fehlerangabe
Baumer spezifiziert die «maximale Fehlerangabe», d. h. statistisch erfüllen 99,7% der Sensoren die Spezifikation. Mitbewerber geben ggf. die «typische Fehlerangabe» an, bei welcher 32% der Produkte die Spezifikation nicht erfüllen.
Hier finden Sie unseren Leitfaden zum Thema: „Spezifikationen von Drucksensoren" richtig interpretieren
Zur Sterilisation von Geräten und Anlagen kommt Heissdampf zur Anwendung. Kleine Elemente, wie bspw. ein Sensor (PBMH autoclavable), können in einer entsprechenden Kammer (Autoklav) sterilisiert werden. Bei einer grösseren Installation wird Heissdampf durch die Anlage geleitet, was als «Sterilization in place» (SIP) bezeichnet wird. Ein Sensor ist entsprechend robust auszulegen, auch wenn sein Signal während des Sterilisationsprozesses zumeist nicht ausgewertet wird. Er muss die herrschende Temperatur, bspw. 134 °C, und den Druck, über 3 bar, für die entsprechende Zeitspanne, bspw. 30 min, überleben. Druck und Temperatur sind physikalisch direkt miteinander gekoppelt, was in der Sattdampfkurve abgebildet wird.
Druck von Sattdampf in Abhängigkeit der Temperatur
Zur Steuerung des Sterilisationsprozesses sind die Baumer Drucksensoren PBMx und PFMx bestens geeignet. Sie liefern auch bei schnellen Temperaturwechseln genaue Werte und regeln so den Prozess über den Druck zuverlässig, woraus sich die entsprechend geforderte Temperatur ergibt.
Definition der Druckbereiche
Begriffserklärung und Zusammenhänge
Präzision: Sie beschreibt die mögliche Abweichung einer Einzelmessung zum Durchschnitt vieler Messungen und kann als Streukreis aufgefasst werden. Hohe Präzision: kleiner Streukreis, tiefe Präzision: grosser Streukreis.
Genauigkeit: Sie beschreibt den Abstand (Offset) des Durchschnittswerts vieler Messungen zum wahren Wert. Hohe Genauigkeit: kleiner Offset, tiefe Genauigkeit: grosser Offset.
Standardmessfehler: Diese Angabe erfolgt über die Kleinstwerteinstellung (Best Fit Straight Line, BFSL) und beschreibt die Präzision (Streukreis).
Maximale Messabweichung: Sie beinhaltet den Standardmessfehler und den Offset eines Sensors.
Umrechnungstabelle
Die gängisten Druckmaßeinheiten umfassen Pascal (Pa), Millibar (mbar), Millimeter Wassersäule (mmH₂O), Pounds per Square Inch (psi) und Torr, deren Umrechnungen in der folgenden Tabelle dargestellt werden.
