Die richtige Wahl eines Drucksensors

Um einen Drucksensor zu wählen muss vor allem verstanden werden, dass es 3 Arten von Druck gibt, von denen jede einem unterschiedlichen Sensorkonzept entspricht. Die meisten Drucksensoren messen die Verformung einer Membran durch die Wirkung eines Drucks, den man auf sie ausübt, und dessen Wert man erfahren will. Dadurch, dass die Membran zwei Oberflächen besitzt, ist der auf die zweite Oberfläche ausgeübte Druck nicht identisch. Die gemessene Verformung ist somit die Differenz zwischen den auf beiden Oberflächen der Membran gemessenen Druckwerten. Je nach diesem „Referenzdruck“ untersucht man folglich 3 Drucktypen und 3 Arten von Sensoren:

• Absolutdruck: in einem Absolutdruck-Sensor ist die zweite Seite der Membran einem Vakuum ausgesetzt. Dadurch entspricht ihre Verformung genau dem gemessenen Druck.
• Relativdruck: bei einem Relativdrucksensor ist die zweite Seite der Membran dem Luftdruck ausgesetzt. Die Verformung entspricht somit dem Unterschied zwischen dem gemessenen Druck und dem Umgebungsdruck.
• Differentialdruck: ein Differentialdruck-Sensor verfügt über 2 Eingänge: einen für jede Seite der Membran. Die Verformung entspricht somit dem Druckunterschied zwischen den beiden Eingängen.

Hier noch einmal der Unterschied zwischen einem Absolut- und einem Relativdrucksensor. Ein Absolutdrucksensor misst den Druck im Vergleich zum Referenzdruck des Vakuums. Ein Relativdruck-Sensor verwendet als Bezugswert den Luftdruck und misst damit die Differenz zwischen Prozessdruck und Luftdruck. Die Wahl eines Sensors richtet sich somit vor allem nach dem Referenzwert: möchte ich den Wert im Vergleich zum Luftdruck messen oder nicht? Ein Absolutdruckmesser ist der einzige, der den Luftdruck messen kann. Er kann somit zur Messung des barometrischen Drucks verwendet werden. Unter den Anwendungen, die daraus resultieren, findet sich die Höhenmessung, die auf der Veränderung des Luftdrucks basiert, wenn sich die Höhe verändert. Der Luftdruck kann sich um etwa 30 mbar verändern, wenn die meteorologischen Bedingungen sich verändern, und um ca. 200 mbar, wenn die Installationshöhe des Sensors eine andere ist (Unterschied zwischen dem Meeresspiegel und 2000 m Höhe). Für denselben gemessenen Druck kann somit ein Relativdrucksensor einen Messfehler anzeigen, der sich aus den Variationen des Luftdrucks ableitet. Dieser Irrum kann unerheblich sein, wenn man hohe Druckwerte misst; seine Bedeutung wächst, wenn niedrige Druckwerte gemessen werden. In solchen Fällen verwendet man also vorzuigsweise einen Absolutdruck-Sensor.

Hier noch einmal der Unterschied zwischen einem Absolutdruck-Sensor und einem Relativdruck-Sensor. Ein Absolutdrucksensor misst den Druck im Vergleich zum Referenzdruck des Vakuums. Ein Relativdruck-Sensor verwendet als Bezugswert den Luftdruck und misst damit die Differenz zwischen Prozessdruck und Luftdruck. Die Wahl eines Sensors richtet sich somit vor allem nach dem Referenzwert: möchte ich den Wert im Vergleich zum Luftdruck messen? Ein relativer Drucksensor ist dann interessant, wenn man den Einfluss des Luftdrucks auf die Messung ausschalten will. Wenn beispielsweise ein Drucksensor verwendet wird, um den hydrostatischen Druck einer Flüssigkeit in einem Behälter zwecks Füllstandsbestimmung zu messen, wobei die Oberfläche der Flüssigkeit ebenfalls dem Luftdruck ausgesetzt ist, so misst der Relativdrucksensor nur den hydrostatischen Druck und berücksichtigt die Schwankungen des Luftdrucks nicht.

Ein Differentialdrucksensor hat zwei Druckeingänge. Er wird verwendet, wenn man den Druckunterschied zwischen zwei Punkten messen will. Er kann z.B. in Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine Durchflussmessung durch Drosselung geschieht.

Wenn Sie festgelegt haben, welchen Druck Sie messen müssen, können Sie die Sensortechnologie wählen. In einem piezoresistiven Drucksensor übt der Druck eine Kraft auf ein sensibles Element ein. Dadurch schwankt der Widerstand des Elementes. Piezoresistive Drucksensoren sind hochempfindlich, robust und verfügen über eine gute thermische Ausdauer, aber sie haben ein schwaches Ausgangssignal. In einem piezoresistiven Drucksensor übt der Druck eine Kraft auf ein sensibles Element aus. So entsteht Spannung an den Anschlusspunkten des Elements. Diese Sensoren können über einen sehr großen Messbereich verfügen und haben ebenfalls eine große thermische Resistenz. Ihr Ausgangssignal ist dagegen schwach und sie sind weniger präzise als die piezoresistiven Sensoren. In einem  kapazitiven Drucksensor  ist die Membrane eine der Platten eines Kondensators. Unter der Einwirkung des Druckes verformt sich die Membran und verändert damit die Kapazität des Kondensators. Diese Sensoren verfügen über ausreichend Präzision und sind sehr empfindlich; sie gestatten das Messen von niedrigen Druckwerten im Bereich des mbar. Sie vertragen jedoch keine Vibrationen, weil diese ihre Messungen instabil machen können.

Wenn Sie bestimmt haben, ob der zu messende Druck ein absoluter Druck, ein relativer Druck oder ein Differentialdruck ist, müssen Sie eine entsprechende Sensortechnologie und ein passeendes Modell entsprechend der folgenden Kriterien wählen:

• Es ist zuerst einmal wichtig, einen Sensor zu wählen, dessen Messbereich dem Druckbereich entspricht, den Sie messen wollen. Hierbei müssen auch die normlalen Bedingungen und eventuelle gelegentliche Druckvariationen berücksichtig werden.
• Ein wichtiger Faktor ist weiterhin die Funktionstemperatur. Die Mehrzahl der Sensoren hat eine Funktionsbreite von -25°C bis 100°C. Daruber hinaus müssen Sensoren gewählt werden, die höheren Temperaturen standhalten.
• Wie für jeden Sensor muss ein Druckmesser gewählt werden, dessen Ausgangssignal Ihrer Messschleife oder Ihrem Regelkreis entspricht.
• Das letzte wichtige Auswahlkriterium ist die Konfigurierung des Sensors und die Art und Weise, wie er auf dem Messpunkt installiert wird. Die meisten Sensoren sind mit einem Gewinde versehen, das eine einfache geheftete Installierung auf einem Rohr, einem Tank etc. gestattet. Es gibt auch Sensoren mit Flanschen oder Miniatursensoren zum Löten auf einer Leiterplatte o.Ä. Auch der Einbau von frontbündigen Membran-Sensoren ist vorteilhaft. In dieser Konfiguration ist die Sensormembran bündig mit der Rohrwand konfiguriert und vermeidet Verstopfungsprobleme durch Materialansammlung in Bereichen ohne Ablauf. Diese Konfiguration ist sehr nützlich für geladene Flüssigkeiten, insbesondere in der Lebensmittelindustrie.