Erfahren Sie mehr über die Funktion, den Aufbau, die Arten und Anwendungsbereiche von Drucksensoren
Wie funktioniert ein Drucksensor?
Ein Drucksensor ist unverzichtbar für die präzise Druckmessung. Die Baumer Drucksensoren basieren auf der resistiven und der piezoresistiven Druckmessung. Dabei werden elektrische Widerstandsänderungen gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Grundlage hierfür ist ein metallisches, keramisches oder piezoresistives Material, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von dem auf das Material einwirkenden Druck ändert.
Die Druckmessung ist eine der wichtigsten und häufigsten eingesetzten Technik zur Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen in der Prozesstechnik. Baumer bietet ein umfangreiches Portfolio an Drucksensoren für unterschiedlichste Anwendungsbereiche.
Überwachen oder steuern von physikalischen Vorgängen in Abhängigkeit zum Absolutdruck, wie z. B. Dampfdruck
Relativdruck:
Messung des Drucks in Bezug auf den atmosphärischen Druck (Umgebungsdruck)
Sensor mit Relativausgleich
«Offener» Sensor, d. h. mit Schnittstelle zur Umgebung
Überwachen oder steuern von physikalischen Vorgängen in Abhängigkeit zu den Umgebungsbedingungen
Bsp. Unterdruck: Haltekraft durch Vakuumierung bei Werkstückhandling
Bsp. Überdruck: Hydrostatische Füllstandmessung bei belüfteten Tanks
Kombinierter Messbereich:
Messung des Relativ- oder Differenzdrucks im negativen (Unterdruck) und positiven Bereich (Überdruck)
Differenzdruck:
Messung der Differenz zwischen zwei Druckpotentialen
Aufbau und Arten von Drucksensoren
Die Drucksensoren von Baumer arbeiten grundsätzlich mit zwei unterschiedlichen Druckmessverfahren. Der Einsatz des jeweiligen Verfahrens wird durch den späteren Einsatzbereich des Sensors bestimmt.
Resistive Druckmessung: Bei der resistiven Druckmessung führt die Verformung eines dünnen Metallkörpers oder einer Keramikmembran zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands. Wird der Metallstreifen durch Druck gedehnt, wird er länger und der elektrische Widerstand nimmt zu. Wird der Metallstreifen gestaucht, vergrössert sich sein Querschnitt und der elektrische Widerstand wird kleiner. Die Veränderung dieses Widerstands wird dann als elektrisches Signal erfasst und in Druck umgerechnet.
Piezoresistive Druckmessung: Auch dieses Prinzip basiert auf den Veränderungen des elektrischen Widerstands bei Verformung eines Materials. Jedoch kommt bei diesem Messprinzip ein piezoresistives Material zum Einsatz. Dieses Material hat die Eigenschaft, dass die mechanische Spannung, die bei einer Verformung (Dehnung oder Stauchung) auftritt, zusätzlich zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit führt. Die Widerstandsänderung fällt dabei grösser aus als bei der resistiven Druckmessung.
Neben den hier aufgeführten Arten der Druckmessung bzw. der Drucksensoren seien noch die piezoelektrischen, kapazitiven und induktiven Drucksensoren, sowie die Drucksensoren im Vakuumbereich, frequenzanaloge Drucksensoren und Drucksensoren mit Hallelement erwähnt.
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.
Eignung für Gasanwendungen
Druck bei Sterilisationsprozessen
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.
Temperaturabhängigkeit
Die Anwendung kann von der Referenztemperatur (bspw. 20 °C) abweichen, so dass der Standardmessfehler oder die maximale Messabweichung differenziert betrachtet werden muss.
Der «Temperaturkoeffizient Nullpunkt» (TKN) beschreibt die Temperaturabhängigkeit des Nullpunkts und somit den Einfluss auf die Genauigkeit.
Der «Temperaturkoeffizient Spanne» (TKS) beschreibt die Temperaturabhängigkeit des Messbereiches und somit den Einfluss auf die Präzision, also den Standardmessfehler.
TKN und TKS zusammen beschreiben die Temperaturabhängigkeit auf die maximale Messabweichung.
Temperaturabhängigkeit der max. Messabweichung
Ein temperaturstabiler Drucksensor mit tieferer Initialgenauigkeit ist in vielen Fällen einem instabilerem mit höherer Initialgenauigkeit zu bevorzugen, wenn die Betriebs- von der Referenztemperatur (bspw. 20 °C) abweicht.
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.
