Funktionsprinzip eines Drucksensors

Ein Drucksensor wandelt Druck in ein elektrisches Ausgangssignal um. Das elektrische Signal kann digital oder analog sein und wird von anderen Geräten wie Steuerungen, Alarmen und anderen geschlossenen Regelkreisen verwendet. Drucksensoren werden in verschiedenen Wohn- und Gewerbeanwendungen wie HVAC, Pumpen, Fahrzeugen, Flugzeugen usw. eingesetzt, wo eine Druckmessung erforderlich ist. Sie werden auch als Drucksensoren oder Drucktransmitter bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

• Funktionsprinzip eines Drucksensors
• Arten von Drucksensoren
• Auswahlkriterien
• Häufige Anwendungen
• Wie man einen Drucksensor mit einem Multimeter testet
• FAQ

Funktionsprinzip eines Drucksensors

Ein Drucksensor besteht aus einem druckempfindlichen Element, wie einer Membran, mit einer konstanten Fläche. Der Fluiddruck verursacht eine Auslenkung der Membran. Der Drucksensor besteht auch aus einem Wandlerelement. Dieses Wandlerelement wandelt die von der Membran erfasste Auslenkung in ein elektrisches Ausgangssignal um. Dieses Signal wird proportional zur Druckänderung zu- oder abnehmen. Daher ist die Kalibrierung des Geräts entscheidend, um sicherzustellen, dass der Druck innerhalb des Spezifikationsbereichs liegt.

Drucksensoren benötigen eine Stromversorgung, um elektrische Signale zu erzeugen. Das Signal beträgt üblicherweise 4-20 mA oder 0-10 V DC. Einige Systeme können auch eine Kombination aus AC- und DC-Strom verwenden. Das 4-20 mA Signal ist ein weit verbreiteter Standard in der Industrie. Es verwendet eine 2-Draht-Konfiguration, während der DC-Spannungsausgang eine 3-Draht-Konfiguration verwendet. Das 4-20 mA Signal kann über lange Strecken verwendet werden und ist weniger störanfällig als ein DC-Signal.

Ein Drucksensor sollte nicht mit einem Druckschalter verwechselt werden. Ein Druckschalter ist ein Gerät, das einen elektrischen Kontakt betätigt, wenn ein voreingestellter Fluiddruck erreicht wird. Lesen Sie unseren technischen Artikel über Druckschalter, um mehr darüber zu erfahren.

Arten von Drucksensoren

Es gibt verschiedene Arten von Drucksensoren basierend auf ihrer Messtechnologie. Die Haupttypen sind nachfolgend aufgeführt:

Dehnungsmessstreifen-Drucksensor

Diese Sensoren eignen sich zur Messung von außerordentlich hohen und niedrigen sowie Differenzdrücken. Differenzdruck ist die Druckdifferenz zwischen zwei beliebigen Punkten. Der Sensor enthält ein Messelement, eine Membran. Jede Verformung der Membran verursacht eine Änderung des Widerstands der Dehnungsmessstreifen. Typischerweise werden vier Messstreifen in einer Wheatstone-Brücke verwendet, um die Empfindlichkeit des Sensors zu maximieren. Diese Widerstandsänderung wird in ein verwendbares Ausgangssignal umgewandelt.

Kapazitiver Drucksensor

Kapazitive Drucksensoren messen den Druck durch Erkennen der Änderungen der elektrischen Kapazität aufgrund der Bewegung der Membran. Er hat zwei Kondensatorplatten, eine Membran und eine Elektrode, die an einer drucklosen Oberfläche befestigt ist. Diese Platten befinden sich in einem bestimmten Abstand voneinander, und die Druckänderung vergrößert oder verkleinert den Abstand zwischen diesen Platten. Diese Kapazitätsänderung wird in ein verwendbares Signal umgewandelt. Je nach Anwendung kann dieser Sensor entweder Absolut-, Relativ- oder Differenzdruck messen.

Potentiometrischer Drucksensor

Diese Art von Sensor besteht aus einem Präzisionspotentiometer. Das Potentiometer besteht aus einem Schleifer, der mit dem druckempfindlichen Element, wie einer Membran, verbunden ist. Die Auslenkung dieses Elements ändert die Position des Schleifers. Der Widerstandswert zwischen dem Schleifer und einem Ende des Potentiometers ändert sich. Dieser Wert ist das Maß für den angewandten Druck.

Resonanzdraht-Drucksensor

Resonanzdraht-Drucksensoren haben einen schwingenden Draht in einer Membran. Der elektronische Oszillator hält den Draht in Schwingung. Wenn sich der Druck in der Membran ändert, ändern sich die Spannung des Drahtes und die Resonanzfrequenz. Diese Frequenz kann von digitalen Zählerschaltungen erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Induktiver Drucksensor

Induktive Drucksensoren arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Der Sensor hat eine Membran, die mit einem ferromagnetischen Kern verbunden ist. Die leichte Auslenkung der Membran verursacht eine lineare Bewegung im ferromagnetischen Kern, was einen Strom induziert. Die Bewegung des Kerns aufgrund der Druckänderung variiert den induzierten Strom. Diese Stromänderung wird in ein verwendbares Signal umgewandelt.

Piezoelektrischer Drucksensor

Wenn Druck ausgeübt wird, verwenden piezoelektrische Drucksensoren Quarzkristall oder keramisches Material, um eine elektrische Ladung zu erzeugen. Diese elektrische Ladung, gemessen als Spannung, ist proportional zur Druckänderung. Dieser Sensor ist sehr empfindlich und extrem schnell in der Reaktion.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Drucksensors sind folgende Parameter zu berücksichtigen:

• Art des Mediums: Die Art des Mediums sollte mit dem Material des Sensors kompatibel sein. Einige häufig verwendete Medientypen sind:
  • Hydrauliköl
  • Heizöl
  • Benzin
  • Klebstoffe
  • Druckluft
  • Gase
  • Wasser
• Gehäuse- und Dichtungsmaterial: Das Gehäuse- und Dichtungsmaterial des Sensors sollte chemisch mit dem Anwendungsmedium kompatibel sein. Edelstahl ist das am häufigsten verwendete Gehäusematerial. Es bietet hohe Materialfestigkeit und größere Kompatibilität mit neutralen und korrosiven Flüssigkeiten. Gängige Dichtungsmaterialien sind Nitrilbutadienkautschuk (NBR), Viton (FKM) und Elastomere.
• Temperatur: Extreme Temperaturen können die Funktionalität des Sensors einschränken. Stellen Sie daher sicher, dass der Drucksensor innerhalb des Temperaturbereichs der Anwendung liegt.
• Druck: Der Sensor muss sowohl dem Betriebsdruckbereich als auch dem Überdruck der Anwendung standhalten können. Für Anwendungen mit extremem Druck sind speziell entwickelte Hochdruck-Sensoren verfügbar.
• Art des Sensors: Kapazitive und Resonanzdraht-Drucksensoren eignen sich für absoluten und relativen Druck. Ein Dehnungsmessstreifen-Sensor eignet sich als Differenzdrucksensor.
• Hysterese: Hysterese ist die Fähigkeit des Drucksensors, bei aufeinanderfolgender Anwendung des gleichen steigenden und fallenden Drucks das gleiche Ausgangssignal zu erzeugen. Für eine geringe Hysterese ist ein kapazitiver Drucksensor erwünscht.
• Wiederholbarkeit: Wiederholbarkeit ist die Fähigkeit des Drucksensors, bei gleichem Druck das gleiche Ausgangssignal zu erzeugen. Sie liegt in der Regel zwischen 0,5% und 0,05%. Die Auswahl eines Sensors hängt von der gewünschten Genauigkeit der Anwendung ab.
• Zulassungen: Drucksensoren können Zulassungen oder Zertifizierungen wie ATEX und IECEx benötigen, um unter bestimmten Umgebungsbedingungen betrieben werden zu können.

Häufige Anwendungen

Drucksensoren werden in einer Vielzahl von Wohn- und Gewerbeanwendungen eingesetzt, die eine Druckmessung erfordern. Je nach Medium gibt es daher Luftdrucksensoren, Flüssigkeitsdrucksensoren und Gasdrucksensoren. Einige typische Anwendungen für elektronische Drucksensoren sind:

• Überwachung des Brems- und Kraftstoffdrucks in Fahrzeugen.
• Überwachung des Flüssigkeitsstands in einem HVAC-System.
• Erfassung des Flüssigkeitsstands für Brunnen und Pumpstationen.
• Höhenmessung für Flugzeuge und Satelliten.
• Überwachung von Flüssigkeits- und Gasständen bei verschiedenen medizinischen Geräten.

Wie man einen Drucksensor mit einem Multimeter testet

Es ist wichtig zu wissen, wie man einen 4-20mA-Drucksensor testet, um eine genaue und zuverlässige Leistung in einem System zu gewährleisten. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Testen eines Drucksensors, speziell für das 4-20mA-Ausgangssignal.

Benötigte Werkzeuge

• Multimeter
• Stromversorgung (typischerweise 24 V DC)
• Druckquelle (z.B. Handpumpe oder Druckkalibrator)
• Kabelverbinder

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Sicherheit geht vor:
   1. Stellen Sie sicher, dass das System drucklos und sicher zu bearbeiten ist.
   2. Tragen Sie angemessene persönliche Schutzausrüstung (PSA).
2. Erste Inspektion:
   1. Überprüfen Sie den Drucksensor visuell auf Anzeichen von physischen Schäden oder Verschleiß.
   2. Überprüfen Sie die Verkabelung und Anschlüsse auf lose oder beschädigte Verbindungen.
3. Einrichten des Multimeters:
   1. Stellen Sie das Multimeter auf Strommessung (mA) ein.
   2. Stellen Sie sicher, dass das Multimeter in der Lage ist, den 4-20mA-Bereich zu messen.
4. Anschließen der Stromversorgung:
   1. Verbinden Sie den Pluspol der Stromversorgung mit dem positiven Eingang des Drucksensors.
   2. Verbinden Sie den Minuspol der Stromversorgung mit der gemeinsamen Masse.
5. Anschließen des Multimeters:
   1. Schließen Sie das Multimeter in Reihe mit dem Drucksensor an. Das bedeutet, dass Sie einen Anschluss des Multimeters mit dem Minuspol der Stromversorgung und den anderen Anschluss mit dem negativen Eingang des Drucksensors verbinden.
6. Druck anlegen:
   1. Legen Sie schrittweise Druck auf den Sensor mit einer Druckquelle an.
   2. Überwachen Sie den angelegten Druck mit einem kalibrierten Manometer oder der Anzeige der Druckquelle.
7. Multimeter ablesen:
   1. Beobachten Sie die Stromanzeige auf dem Multimeter. Ein korrekt funktionierender 4-20mA-Drucksensor gibt bei Nulldruck 4mA und bei seinem maximalen Nenndruck 20mA aus.
   2. Bei Zwischendrücken sollte der Strom proportional zwischen 4mA und 20mA variieren.
   3. Die genauen Ausgangswerte für verschiedene Druckmesswerte sind im Datenblatt des Herstellers angegeben. Beziehen Sie sich auf das Datenblatt, um zu überprüfen, ob der Sensor gemäß den Spezifikationen arbeitet.
8. Ausgabe überprüfen:
   1. Vergleichen Sie die Multimetermesswerte mit den erwarteten Werten basierend auf dem angelegten Druck. Bei 50% des Vollskalendrucks des Sensors sollte der Ausgang beispielsweise etwa 12mA betragen.
   2. Wenn die Messwerte nicht im erwarteten Bereich liegen, könnte ein Problem mit dem Sensor oder dem Setup vorliegen.
9. Fehlerbehebung bei 4-20mA-Drucksensoren:
   1. Wenn der Sensor nicht den korrekten Strom ausgibt, überprüfen Sie die Versorgungsspannung, um sicherzustellen, dass sie im spezifizierten Bereich liegt.
   2. Überprüfen Sie, ob alle Verbindungen sicher und korrekt sind.
   3. Wenn das Problem weiterhin besteht, konsultieren Sie die Fehlerbehebungsanleitung des Herstellers oder erwägen Sie den Austausch des Sensors.

FAQ

Was ist ein Drucksensor und wie funktioniert er?

Ein Druck-Strom-Wandler wandelt Druck in ein elektrisches Signal um, das von einem Instrument gelesen werden kann. Er erfasst den Druck und erzeugt ein Signal, das proportional zum angelegten Druck ist.

Wie testet man einen Drucksensor?

Legen Sie einen bekannten Druck an einen Drucksensor an und messen Sie das Ausgangssignal, um ihn zu testen. Vergleichen Sie das Ausgangssignal mit dem erwarteten Wert, um die Genauigkeit zu überprüfen, und kalibrieren Sie gegebenenfalls.

Was ist der Unterschied zwischen einem Drucksensor und einem Drucktransducer?

Ein Drucksensor wandelt Druck in ein elektrisches Signal um, das von einem Instrument oder Steuerungssystem gelesen werden kann, im Gegensatz zu einem Drucksensor, der Druck erkennt und ein Signal erzeugt.

Was ist der Unterschied zwischen einem Drucksensor und einem Drucktransmitter?

Diese beiden Begriffe werden oft synonym verwendet. Ein Drucksensor wandelt jedoch Druck in ein elektrisches Signal um, während ein Drucktransmitter dieses Signal auch verstärken, modifizieren und senden kann.

Was misst ein Drucksensor?

Ein Drucksensor misst die auf ihn ausgeübte Kraft pro Flächeneinheit und wandelt sie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das von einem Instrument oder Steuerungssystem gelesen werden kann.

Wie verwendet man einen Drucksensor?

Um einen Drucksensor zu verwenden, bestimmen Sie die Art der Flüssigkeit oder des Gases, wählen Sie den geeigneten Sensor aus, installieren Sie ihn und kalibrieren Sie ihn für genaue Messungen.

Wie funktioniert ein Differenzdrucksensor?

Dieser Typ von Sensor misst den Druckunterschied zwischen zwei Punkten und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um, das bei der Durchflussmessung und Flüssigkeitsstanderkennung verwendet wird.