Aufbau von Drucksensoren

Drucksensoren spielen eine entscheidende Rolle in zahlreichen industriellen Anwendungen, indem sie den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen präzise erfassen. Ihre Fähigkeit, Druckwerte in messbare Signale umzuwandeln, ist für die Steuerung, Regelung und Überwachung verschiedener Prozesse unerlässlich.

Messmembran und Sensorelement

Die Messmembran und das Sensorelement bilden das Herzstück eines jeden Drucksensors. Die Messmembran steht direkt mit dem zu messenden Medium in Kontakt und verformt sich bei Druckänderungen minimal, aber messbar. Diese Verformung wird auf das dahinterliegende Sensorelement übertragen, das den mechanischen Impuls in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal ist proportional zum anliegenden Druck und dient als Grundlage für die weitere Verarbeitung. Je nach Sensortyp bestehen Membran und Sensorelement aus unterschiedlichen Materialien und Technologien, die auf eine präzise Erfassung von Druckänderungen ausgelegt sind. Die Funktionsweise lässt sich in drei Schritte unterteilen:

• Erstens die Druckerfassung durch die Membranverformung
• Zweitens die physikalische Umwandlung in eine messbare Größe – etwa durch Änderung von Widerstand, Kapazität, Induktivität oder Piezoeffekten.
• Drittens die Signalübertragung zur nachfolgenden Mess- oder Steuereinheit.

Druckanschluss

Der Druckanschluss stellt eine essenzielle Schnittstelle in einem Drucksensor dar. Seine Hauptaufgabe ist es, sicherzustellen, dass der zu messende Druck zuverlässig in das Sensorgehäuse gelangt und auf das Messelement wirken kann. Somit ermöglicht der Druckanschluss erst die eigentliche Druckmessung.

Zu den Kernfunktionen des Druckanschlusses gehören die Druckübertragung, welche gewährleistet, dass das Medium (z.B. Luft, Wasser, Öl, Gas) den Sensor erreicht, um den aktuellen Druckwert zu erfassen. Des Weiteren ist die Dichtigkeit und der Schutz von entscheidender Bedeutung, um Leckagen zu verhindern und den Sensor vor Beschädigungen durch das Medium zu schützen. Hierbei werden die Materialien und Dichtungen des Anschlusses speziell auf die jeweiligen Anwendungen abgestimmt. Um eine sichere Verbindung mit der Anlage zu gewährleisten, existieren verschiedene Gewindearten (z. B. G1/4, NPT, M20x1,5) oder Flanschverbindungen, die je nach Anwendung eingesetzt werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Druckverteilung und Stabilität, da der Anschluss eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Messmembran oder das Sensorelement sicherstellt, um präzise Messergebnisse zu erzielen. Der Druckanschluss bietet auch einen Schutz vor Umwelteinflüssen, indem er den Sensor vor äußeren Einwirkungen wie Schmutz, Feuchtigkeit oder aggressiven Chemikalien schützt.

Signalwandler

Der Signalwandler spielt eine entscheidende Rolle im Aufbau eines Drucksensors, indem er die Aufgabe übernimmt, das vom Messelement erzeugte physikalische Signal (Druck) in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches anschließend weiterverarbeitet oder angezeigt werden kann. Die Hauptfunktion besteht in der Umwandlung des Drucksignals in eine proportionale elektrische Größe wie

• Spannung,
• Strom,
• Widerstand oder
• Frequenz.

Zudem kann er zur Filterung und Rauschunterdrückung eingesetzt werden, um Störungen oder Schwankungen im Signal zu minimieren. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Linearisation mancher Sensoren, deren Charakteristik nicht linear ist. In solchen Fällen passt der Signalwandler das Ausgangssignal an, um eine lineare Beziehung zwischen Druck und elektrischem Ausgangssignal herzustellen. Schließlich erfolgt oft eine Normierung des Ausgangssignals in standardisierte Formate wie 4–20 mA oder 0–10 V oder in digitale Schnittstellen wie I²C oder SPI, um die Integration in verschiedene industrielle Systeme zu erleichtern. Je nach den Anforderungen der industriellen Anwendung kommen analoge oder digitale Signalwandler zum Einsatz.

Signalverarbeitung & Kalibrierung

Die Signalverarbeitung in einem Drucksensor hat die zentrale Aufgabe, das vom Sensorelement kommende Rohsignal so zu bearbeiten, dass ein genauer, stabiler und auswertbarer Messwert entsteht. Dieser Prozess umfasst mehrere wesentliche Schritte. Zunächst erfolgt eine Signalwandlung und Verstärkung, da das ursprüngliche Signal oft sehr schwach ist und angehoben werden muss. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Temperaturkompensation, da Drucksensoren temperaturempfindlich sind. Hierbei werden Temperaturschwankungen durch einen zusätzlichen Sensor erfasst und Fehler elektronisch mithilfe von Algorithmen korrigiert.

Falls das Signal digital weiterverarbeitet werden soll, erfolgt eine Analog-Digital-Umwandlung (ADC). Um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen, werden Filterung und Rauschunterdrückung eingesetzt, um hochfrequentes Rauschen oder Störungen zu vermeiden.

Die Kalibrierung ist ein weiterer entscheidender Schritt, um Fertigungstoleranzen des Drucksensors auszugleichen und Fehler wie Offset-Drift oder Hysterese zu korrigieren. Abschließend wird das verarbeitete Signal in einem vordefinierten Format bereitgestellt.

Ausgangssignal & Schnittstelle

Das Ausgangssignal und die Schnittstelle eines Drucksensors definieren, wie die gemessenen Druckwerte an nachgeschaltete Systeme zur Weiterverarbeitung gelangen. Das Ausgangssignal selbst stellt den gemessenen Druckwert in Form eines elektrischen Signals bereit. Dieses Signal dient dazu, Steuerungen, Anzeigen oder andere Messsysteme mit den notwendigen Informationen zu versorgen. Je nach Anwendungsbereich kann das Ausgangssignal analog oder digital sein:

• Analoge Ausgangssignale umfassen beispielsweise 0-10 V, einen Spannungsausgang, der jedoch anfälliger für Störungen sein kann und sich besser für kurze Distanzen eignet, sowie 4-20 mA, ein Stromausgang, der weniger störanfällig und ideal für längere Kabelwege ist.
• Digitale Ausgangssignale nutzen verschiedene Kommunikationsprotokolle wie I²C und SPI, die häufig für die Anbindung an Mikrocontroller oder Embedded-Systeme verwendet werden. Für industrielle Feldbus-Systeme zur Datenübertragung kommen Protokolle wie Modbus und CAN-Bus zum Einsatz.

Schutz & Zusatzkomponenten

Im Aufbau eines Drucksensors spielen Schutz- und Zusatzkomponenten eine wichtige Rolle, um die Funktionalität, Langlebigkeit und Messgenauigkeit unter verschiedenen Einsatzbedingungen zu gewährleisten. Schutzkomponenten dienen dazu, den Sensor vor potenziellen Schäden durch mechanische, elektrische oder thermische Einflüsse zu bewahren. Zum mechanischen Schutz gehören beispielsweise eine Schutzmembran, die das Messelement vor dem direkten Kontakt mit dem Messmedium schützt und somit Verunreinigungen oder chemische Reaktionen verhindert.

Das Gehäuse und die Dichtungen sorgen für eine robuste und oft wasser- oder korrosionsbeständige Ausführung. Des Weiteren kann ein Stoß- und Vibrationsschutz integriert sein, um Erschütterungen zu absorbieren, die andernfalls zu Messabweichungen oder Schäden führen könnten. Im Bereich des elektrischen Schutzes sind Komponenten wie der Überspannungsschutz, der Schäden durch plötzliche Spannungsspitzen verhindert, der EMV-Schutz (elektromagnetische Verträglichkeit) zur Reduzierung von Störungen durch externe Felder und der Verpolungsschutz zum Schutz bei falscher elektrischer Anschlüsse von Bedeutung. Der thermische Schutz umfasst die Temperaturkompensation, die Messabweichungen aufgrund von Temperaturschwankungen korrigiert, sowie einen Überhitzungsschutz zum Schutz vor zu hohen Temperaturen im Sensor. Neben diesen Schutzfunktionen können Zusatzkomponenten die Leistung und Funktionalität des Drucksensors erweitern.

1. Mechanische Komponenten:

• Messmembran (Messzelle): Dies ist das Kernstück des Sensors, da es direkt den zu messenden Druck erfasst und in eine elektrische Größe umwandelt.
• Gehäuse: Das Gehäuse schützt die internen Komponenten vor äußeren Einflüssen wie mechanischen Belastungen, Feuchtigkeit und Chemikalien. Die verwendeten Materialien umfassen Edelstahl, Aluminium und Kunststoff.
• Dichtungen: Sie gewährleisten eine druckfeste Abdichtung zwischen dem Sensor und dem Prozessmedium und verhindern somit Leckagen..

2. Elektrische Komponenten:

• Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke): Diese Schaltung wird häufig in piezoresistiven Drucksensoren verwendet, um Widerstandsänderungen in eine messbare Spannung umzuwandeln.
• Temperaturkompensation: Da Drucksensoren temperaturempfindlich sind, ist eine Korrektur von Messabweichungen aufgrund von Temperaturschwankungen essenziell. Dies kann durch thermische Sensoren oder spezielle Algorithmen erfolgen.
• Signalverstärker: Die vom Sensorelement erzeugten Signale sind oft sehr schwach und müssen verstärkt werden, um Rauschen und externe Störungen zu reduzieren und eine genaue Weiterverarbeitung zu ermöglichen.

Diese Komponenten sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit eines Drucksensors. Ein Ausfall oder eine Fehlfunktion einer dieser kritischen Komponenten kann die gesamte Messung beeinträchtigen.