Industrie-Lexikon

Drucksensor

Ein Drucksensor geh√∂rt zur Gruppe der Druckmessger√§te, welche als erstes Glied einer Messkette die physikalische Gr√∂√üe Druck (= Kraft pro Fl√§che) in eine elektrische Ausgangsgr√∂√üe als Ma√ü f√ľr den Druck umformen. Die SI-Einheit f√ľr Druck ist Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Nach DIN 1301 ist auch das Bar, Einheitenzeichen bar, zugelassen. Drucksensoren gibt es zum Messen des station√§ren Drucks, einer Druckdifferenz oder von Druckschwankungen bis zum Schalldruck.

Drucksensortypen
Es gibt je nach Messverfahren unterschiedliche Drucksensoren auf dem Markt wie:

Absolutdrucksensoren. Dieser Typ von Sensor bezieht seine Druckmessung auf Vakuum mit einem Druck von 0 bar.

Differenzdrucksensoren. Dieser Typ von Sensor misst die Druckdifferenz zwischen zwei Messkammern in denen unterschiedlich hohe Dr√ľcke herrschen k√∂nnen. Druck√§nderungen die sich auf beide Messkammern auswirken, werden nicht erfasst.

Relativdrucksensoren. Dieser Typ ist dem Differenzdrucksensor ähnlich. Als Referenz wird der relative Druck bezogen zur Atmosphäre (atmosphärischer Luftdruck) gemessen.

Von den Herstellern, insbesondere im englisch-sprachigen Raum, werden Absolutdrucksensoren mit "absolute" oder "a" bezeichnet. Drucksensoren die f√ľr Messungen von Dr√ľcken relativ zum Atmosph√§rendruck bestimmt sind, werden mit "gauge" oder "g" bezeichnet. Hier unterscheidet man weiter zwischen eingeschlossener (und damit konstruktiv abgedichteter) Atmosph√§re von beispielsweise 1013 mbar (sealed gauge), sowie einer Messung relativ zum aktuell tats√§chlich vorhandenen Atmosph√§rendruck. Bei letztgenannten Drucksensoren ist die Atmosph√§renkammer meist durch eine kleine Bohrung mit dem Atmosph√§rendruck gekoppelt.

Dr√ľcke k√∂nnen in gasf√∂rmigen und fl√ľssigen Medien sowie an Festk√∂rpern als kraft√ľbertragendes Bauteil gemessen werden.

Sensormaterialien]
Als Sensormaterialien werden Silizium, Quarz oder Metalle verwendet. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es inzwischen auch m√∂glich, piezoelektrische D√ľnnschichten auf Messk√∂rpern direkt zu applizieren. Hierbei handelt es sich meistens um Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN).

Monolithische Drucksensoren bestehen aus nur einem Material, z. B. Quarz; teilweise werden neben einem elastischen Grundmaterial zusätzlich Dehnungsmessstreifen verwendet.


Physikalische Messeffekte
Zur Erfassung der Messgröße werden verschiedene physikalische Messeffekte ausgenutzt. Daher unterteilt man die Drucksensoren in folgende Typen:

Piezoresistiver Drucksensor
Er enth√§lt eine Membran mit aufgebrachten elektrischen Widerst√§nden und wird √ľberwiegend als Silizium-Drucksensor hergestellt. √úber eine druckabh√§ngige Verformung der Membran und darauf eindiffundierte verformungsabh√§ngige Widerst√§nde kommt es zur Ausbildung einer Widerstands√§nderung. Diese Sensoren werden, da sie selbst keine elektrische Spannung bei Druck√§nderung erzeugen, sondern nur ihren elektrischen Widerstand ver√§ndern, auch als Passivdrucksensor bezeichnet.

Passive Drucksensoren sind kosteng√ľnstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Zwar zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine starke Temperaturabh√§ngigkeit, da aber dieser Einfluss auf alle Widerst√§nde gleich ist, kann er durch eine differenz-bildende elektrische Schaltung unwirksam gemacht werden.

Piezoelektrischer Drucksensor
Bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Dies nennt man den piezoelektrischen Effekt. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich an der Oberfläche elektrische Ladung proportional zur Kraft bildet. Die Ladung wird durch einen Ladungsverstärker in eine proportionale elektrische Spannung umgeformt. Die unmittelbare Messung der Spannung ist nicht möglich, da die geringe erzeugte Ladung sehr gut isoliert sein muss und keine elektrische Kapazitätsänderung erfahren darf. Jeder beliebige Druck kann durch Ableitung (Kurzschluss) der Ladung als Nullpunkt des Ladungsverstärkers eingestellt werden; dadurch werden Druckänderungen direkt messbar.

Piezoelektrische Sensoren messen grunds√§tzlich nur Kr√§fte. Soll der Sensor in der Druckmesstechnik verwendet werden, muss erst √ľber eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgeformt werden.

Vorteile piezoelektrischer Sensoren:
‚ÄĘ unempfindlich gegen√ľber hohen Temperaturen
‚ÄĘ keine √§u√üere Spannungsversorgung n√∂tig
‚ÄĘ hohe Empfindlichkeit
‚ÄĘ mechanisch sehr starr, wodurch es nur geringf√ľgig zu Eigenschwingungen oder Nachschwingeffekten kommt
f√ľr Druckschwankungen bei hoher Frequenz geeignet bis > 100 kHz.

Nachteile piezoelektrischer Sensoren:
‚ÄĘ ohne Ladungsverst√§rker nicht verwendbar
‚ÄĘ f√ľr statische Messungen wie Wasserstand oder Luftdruck nicht verwendbar, weil selbst bei h√∂chstm√∂glicher  Isolation eine eigentlich konstante Ladung im Laufe von Stunden abflie√üt.

Drucksensoren im Vakuumbereich
Hier wird zusätzlich verwiesen auf

‚ÄĘ W√§rmeleitungsvakuummeter nach Pirani, Messbereich ca. 100 … 0,1 Pa
‚ÄĘ Ionisations-Vakuummeter mit Kaltkathode nach Penning, Messbereich ca. 10‚ąí1 … 10‚ąí5 Pa
‚ÄĘ Ionisations-Vakuummeter mit Gl√ľhkathode nach Bayard-Alpert, Messbereich ca. 10‚ąí1 … 10‚ąí10 Pa

Frequenzanaloger Drucksensor
Dieser ist meistens ein piezoresistiver Drucksensor, der den Druck mittels Dehnungsmessstreifen misst und schaltungstechnisch um einen Ringoszillator erweitert ist. Durch Verändern des Druckes ändert sich der Widerstand der Dehnungsmessstreifen und in Folge wird die Frequenz des Ringoszillators verstimmt. Die ausgegebene Frequenz ist direkt proportional zu dem angelegten Druck.

Drucksensor mit Hallelement
Er arbeitet nach dem Hall-Effekt, wobei bei Druckbelastung das Magnetfeld um das Hall-Element geändert wird.

Kapazitiver Drucksensor
Kapazitive Drucksensoren enthalten zwei in einen Siliziumchip eindiffundierte Kondensatoren. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abst√§nde einer Membran zu zwei beidseitig gegen√ľberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazit√§ten der Kondensatoren gegenl√§ufig ver√§ndert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verst√§rkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazit√§ten abh√§ngig ist.

Induktiver Drucksensor
Induktive Drucksensoren arbeiten mit einem induktiven Wegaufnehmer, welcher mit einer Membran verbunden ist. Druckänderungen erzeugen eine Kraft auf die Membran und bewegen diese. Dadurch ändert sich die Position eines Eisenankers gegensinnig in zwei Spulen: In einer steigt die Induktivität, in der anderen sinkt sie. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Diese Anordnung kann auch durch einen Differentialtransformator ersetzt werden.

Weitere Sensoren
F√ľr die Erfassung kleiner Druckschwankungen, wie sie beim Schalldruck auftreten, werden weitere Messeffekte und ihre Anwendungen in Sensoren des Mikrophons unter dem zugeh√∂rigen Stichwort aufgef√ľhrt.


Markt√ľbliche Drucksensoren
Die am Markt befindlichen Sensoren geben ein standardisiertes elektrisches Signal aus, das durch das nachfolgende Ger√§t (z. B. DDC) einfach verarbeitbar ist. Analoge Einheitssignale k√∂nnen 0 … 10 V, 0,5 … 4,5 Vrat oder 4 … 20 mA sein; ferner gibt es standardisierte digitale Schnittstellen wie I¬≤C, oder CAN-Bus. Diese Drucksensoren sind passive Komponenten, die eine Stromversorgung f√ľr die Aufbereitung des Signals ben√∂tigen. Die Kennlinien der Sensoren k√∂nnen linear sein oder einer Exponential-Funktion entsprechen; St√∂rgr√∂√üen (z. B. Temperatur) sind zu kompensieren und die Kennlinien geeignet zu linearisieren. Daher unterscheidet man heute zwischen

‚ÄĘ nicht kompensierten Drucksensoren (z. B. normale Br√ľckenschaltung, piezoresistiver Drucksensor, Mikrosystemtechnik)
‚ÄĘ analoge, jedoch kalibrierte Sensoren (z. B. kalibrierte Br√ľckenschaltung, piezoresistiver Drucksensor, Mikrosystemtechnik)
‚ÄĘ digitale, kalibrierte und linearisierte sowie temperaturkompensierte Drucksensoren (z. B. kalibrierte Br√ľckenschaltung kombiniert mit Analog-Digital-Umsetzer und Parameterspeicher, piezoresistiver Drucksensor, Mikrosystemtechnik)

Restriktionen bei der Applikation
Drucksensoren reagieren empfindlich auf √úberbelastung. Wird der Messbereich √ľberschritten, kann der Sensor je nach verwendeter Technologie leicht irreparabel besch√§digt werden. F√ľr richtige Messwerte ist zudem die korrekte Einbaulage des Sensors zu ber√ľcksichtigen. Bei Sensoren, die Fl√ľssigkeiten messen, ist darauf zu achten, dass die Sensorleitung entl√ľftet ist. Oft ist eine Trennung des (aggressiven) Mediums vom eigentlichen Drucksensor erforderlich, um die auch chemisch empfindlichen Drucksensoren vor Korrosion oder Verschmutzung zu sch√ľtzen.

Quelle: Wikipedia

 

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