Elektronische Druckmessung: Vergleich der gängigen Messprinzipien

 

 

 

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Elektronische Druckmessumformer kommen in einer Vielzahl Anwendungen zum Einsatz, von der Maschinentechnik über die verarbeitende Industrie bis hin zur Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Die Erfassung der physikalischen Grösse Druck kann über verschiedene Messprinzipien erfolgen. Wir stellen die gängigen Prinzipien vor.

 

In der elektronischen Druckmessung wird üblicherweise zwischen Dünnfilmsensoren, Dickschichtsensoren und piezoresistiven Drucksensoren unterschieden. Gemein ist allen drei Messprinzipien, dass die physikalische Grösse Druck in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt wird. Grundlegend für alle drei Messprinzipien ist ebenso eine Wheatstonesche Messbrücke, einer Messeinrichtung zur Erfassung elektrischer Widerstände, die aus vier zusammengeschalteten Widerständen besteht.

 

 

Piezoresistive Drucksensoren: Hochpräzise und kostengünstig

 

Piezoresistive Drucksensoren basieren auf Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (DMS). Das verwendete Material hierfür ist Silizium. Auf einem Siliziumchip werden vier zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verbundene Widerstände eindiffundiert. Bei Druck verformt sich der Siliziumchip. Durch diese Verformung ändert sich die Leitfähigkeit der eindiffundierten Widerstände. Aus dieser Widerstandsänderung kann letztlich der Druck abgelesen werden.

 

Da das piezoresistive Sensorelement sehr empfindlich ist, muss es vor dem Einfluss des Messmediums abgeschirmt werden. Der Sensor befindet sich daher in einem Druckmittler. Die Druckübertragung erfolgt über eine das Sensorelement umgebende Flüssigkeit. In der Regel handelt es sich dabei um ein Silikonöl. In hygienegerechten Anwendungen wie in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie werden allerdings auch andere Übertragungsflüssigkeiten eingesetzt. Eine trockene Messzelle, aus der im Schadensfall keine Flüssigkeit austritt, ist nicht möglich.

 

Die Vorteile:

 

    • sehr hohe Empfindlichkeit, Drücke im mbar-Bereich messbar
    • hoher Messbereich möglich, von mbar bis 2'000 bar
    • sehr hohe Überlastsicherheit
    • hervorragende Genauigkeit von bis zu 0,05 Prozent der Spanne
    • kleine Sensorbauform
    • sehr gutes Hystereseverhalten und gute Wiederholbarkeit
    • Basistechnologie vergleichsweise günstig
    • statische und dynamische Drücke

 

Die Nachteile:

 

    • benötigt Übertragungsmedium
    • Temperaturkompensation erforderlich

 

 Dünnfilmsensoren: Langzeitstabil und preisintensiv

 

Anders als bei piezoresistiven Drucksensoren basieren Dünnfilmsensoren auf einem metallischen Grundkörper. Auf diesen werden die vier zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschalteten Widerstände mit einem so genannten Sputter-Verfahren aufgebracht. Der Druck wird also ebenfalls durch eine durch Verformung verursachte Widerstandsänderung erfasst. Neben den Dehnungsmessstreifen können auch Temperaturkompensationswiderstände eingefügt werden. Eine Übertragungsflüssigkeit wie bei piezoresistiven Drucksensoren ist nicht nötig.

 

 

Die Vorteile:

 

    • sehr kleine Baugrösse
    • Drücke bis zu 8.000 bar sind messbar
    • ausgezeichnete Langzeitstabilität
    • keine Temperaturkompensation nötig
    • hohe Genauigkeit
    • hoher Berstdruck
    • statische und dynamische Drücke

 

Die Nachteile:

 

    • geringere Empfindlichkeit als piezoresistive Drucksensoren, daher sind tiefe Drücke schlechter messbar
    • Basistechnologie vergleichsweise teuer

 

 

Dickschichtsensoren: Besonders korrosionsbeständig

 

Als Basiswerkstoff für Dickschichtsensoren dient Keramik (Aluminiumoxid-Keramik). Diese Drucksensoren sind monolithisch, was bedeutet, dass der Sensorkörper aus nur einem Werkstoff besteht. Dieser Umstand stellt eine ausgezeichnete Langzeitstabilität sicher. Darüber hinaus ist Keramik gegenüber aggressiven Medien besonders korrosionsfest. Bei dieser Art von Sensor wird die Wheatstonesche Messbrücke mittels Dickschichttechnologie auf den Grundkörper gedruckt und bei hoher Temperatur eingebrannt.

 

Die Vorteile:

 

    • sehr gute korrosionsbeständigkeit
    • keine Temperaturkompensation nötig
    • hohe Langzeitstabilität
    • erfordert keinen Druckmittler

 

Die Nachteile:

 

    • zur Messung dynamischer Drücke eher ungeeignet
    • nach oben begrenzter Druckbereich (etwa 400 bar)

 

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