Wie digitale Drucksensoren und -schalter funktionieren

Digitale Druckschalter und Sensoren sind unverzichtbar für die Überwachung und Steuerung des Drucks in verschiedenen Anwendungen, von Wassersystemen bis hin zu pneumatischen Steuerungen. Indem sie den angewendeten Druck in elektrische Signale umwandeln, bieten diese Geräte präzise Messungen, Echtzeitüberwachung und nahtlose Integration mit digitalen Steuerungssystemen. Dieser Artikel untersucht die Funktionsweise digitaler Druckschalter und Sensoren, ihre Komponenten, Betriebsprinzipien und die Vorteile, die sie für Prozesse bringen, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfordern.

Inhaltsübersicht

• Was sind digitale Drucksensoren und -schalter
• Wie elektronische Drucksensoren arbeiten
• Arten von Drucksensoren
• Die richtige Sensortechnologie auswählen
• Wie Druckschalter funktionieren

Was sind digitale Drucksensoren und -schalter

• Ein Drucksensor oder Transducer ist ein Gerät, das den Druck, typischerweise von Gasen oder Flüssigkeiten, misst und den physischen Parameter des Drucks in ein elektrisches Signal umwandelt.
• Ein Druckschalter ist eine spezifische Art von Drucksensor, der eine zusätzliche mechanische oder elektronische Schaltkomponente umfasst. Ein Druckschalter stellt oder unterbricht einen elektrischen Kontakt, wenn ein bestimmtes eingestelltes Druckniveau erreicht wird.

Digitale Druckschalter sind elektronische Druck Sender mit zusätzlichen Funktionen. Sie messen nicht nur den Druck, sondern ermöglichen auch andere Funktionen wie eine digitale Anzeige und die elektronische Einstellung von Schaltpunkten. Diese doppelte Funktionalität bedeutet, dass einfache Steuerungsaufgaben ohne die Notwendigkeit separater Geräte ausgeführt werden können. Benutzer können Schaltpunkte leicht einstellen und ändern, entweder über eine digitale Anzeige oder aus der Ferne über einen I/O-Link, was die Anpassungsfähigkeit des Systems an verschiedene Betriebsbedingungen verbessert.

Die nächsten Abschnitte diskutieren die verschiedenen Mechanismen, durch die der Sensor den Eingangsdruck in einen elektrischen Ausgang umwandelt.

Wie elektronische Drucksensoren arbeiten

Elektronische Drucksensoren erkennen Druckänderungen und wandeln sie in ein proportionales elektrisches Signal um. Es gibt vier Hauptprinzipien, nach denen diese Sensoren arbeiten:

Resistive Druckmessung

Die resistive Druckmessung quantifiziert den Druck, indem sie Änderungen im elektrischen Widerstand erfasst, die durch die Verformung eines Materials verursacht werden. Der Widerstand eines Leiters wird durch seine physischen Dimensionen beeinflusst – speziell durch seine Länge und den Querschnittsbereich. Der elektrische Widerstand eines Leiters wird durch die Formel bestimmt:

R=ρ*L/A

• R: Elektrischer Widerstand
• ρ: Spezifischer Widerstand
• L: Länge
• A: Querschnittsfläche

Wenn Druck auf einen Leiter angewendet wird, kann dies dazu führen, dass das Material sich streckt oder komprimiert. Das Strecken des Leiters erhöht seine Länge (L) und verringert seinen Querschnittsbereich (A), was wiederum seinen Widerstand erhöht. Umgekehrt führt eine Kompression zu einer kürzeren Länge und einem größeren Querschnittsbereich, was zu einer Verringerung des Widerstands führt.

Drucksensoren, die dieses Prinzip verwenden, haben in der Regel ein Zwerchfell, auf dem vier metallische Dehnungsmessstreifen platziert sind. Sie sind über die Bereiche der Dehnung und Kompression verteilt. Der Widerstand ändert sich also entsprechend der Auslenkung (Kompression oder Dehnung) des Zwerchfells. Wenn sich das Zwerchfell biegt, ändern die Dehnungsmessstreifen ebenfalls ihre Form:

• Wenn das Zwerchfell sich ausdehnt, bekommen die Dehnungsmessstreifen in diesen Teilen mehr Widerstand
• Wenn das Zwerchfell eingedrückt wird, bekommen die Dehnungsmessstreifen in diesen Teilen weniger Widerstand.

Diese Änderungen im Widerstand sind mit dem Druck verbunden, der auf das Zwerchfell wirkt. Eine Wheatstone-Brücke kann auch für genauere Messungen verwendet werden.

Piezoresistive Druckmessung

Ein piezoresistives Material ist eine Art von Material, das seinen elektrischen Widerstand ändert, wenn mechanischer Stress darauf angewendet wird. Diese Eigenschaft ist als der piezoresistive Effekt bekannt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Halbleitern wie Silizium, während er bei leitenden Metallen relativ gering ist.

Bei einem piezoresistiven Drucksensor wird das druckempfindliche Zwerchfell aus einem Halbleitermaterial hergestellt. Dehnungsmessstreifen aus demselben Halbleitermaterial sind direkt in dieses Zwerchfell eingebettet und bilden eine kohärente Messeinheit. Diese Dehnungsmessstreifen sind typischerweise in einem Satz von vier angeordnet und bilden eine Wheatstone-Brücke, die verwendet wird, um die geringfügigen Änderungen im Widerstand zu messen, die auftreten, wenn das Zwerchfell unter Druck verformt wird.

Vorteil

Piezoresistive Elemente können sehr niedrige Druckbereiche genau messen, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen Präzision entscheidend ist.

Einschränkungen

• Kompatibilitätsprobleme: Halbleitermaterialien sind nicht universell mit allen Arten von Flüssigkeiten, mit denen sie in Kontakt kommen, kompatibel. Um den Sensor vor Beschädigungen zu schützen, werden die halbleitenden Elemente von dem zu messenden Medium durch Anwendung des Drucks auf eine metallische Membran, die gegenüber dem Medium resistent ist, abgeschirmt. Der Druck wird dann durch ein stabiles Übertragungsmedium, wie Öl, auf das Halbleiterzwerchfell übertragen, was sicherstellt, dass das empfindliche Halbleitermaterial nur mit einer Substanz in Kontakt kommt, die es aushalten kann.
• Temperaturempfindlichkeit: Piezoresistive Elemente sind hochgradig empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, was ihre Leistung und Genauigkeit beeinflussen kann.
• Fertigungskonsistenz: Variationen im Herstellungsprozess können zu Inkonsistenzen im Sensorverhalten führen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, muss jeder piezoresistive Drucksensor einer individuellen Temperaturkompensation unterzogen werden, um einen zuverlässigen und konsistenten Betrieb zu gewährleisten.

Kapazitive Druckmessung

Die kapazitive Druckmessung bestimmt den Druck eines Mediums, indem sie die Änderung der Kapazität misst, die durch die Verformung eines Zwerchfells verursacht wird, wenn Druck angewendet wird. Ein Kondensator ist eine elektrische Komponente, die Energie in einem elektrischen Feld zwischen zwei leitenden Platten speichert, die durch ein isolierendes Material getrennt sind (Abbildung 3). Die Kapazität eines Doppelplattenkondensators wird mit der folgenden Beziehung berechnet:

C=ε*A/d

• C: Kapazität des Doppelplattenkondensators
• ε: Permittivität
• d: Plattenabstand
• A: Querschnittsfläche

Bei einem kapazitiven Drucksensor sind die beiden Platten des Kondensators so konfiguriert, dass eine Platte ein bewegliches Zwerchfell ist, das auf Druckänderungen reagiert, während die andere Platte stationär bleibt. Wenn Druck angewendet wird, verformt sich das Zwerchfell und ändert den Abstand (d) zwischen den beiden Platten. Da die Fläche der Platten (A) und die Permittivität (ε) des isolierenden Materials konstant sind, wirkt sich jede Änderung im Plattenabstand direkt auf die Kapazität aus.

Vorteile

• Die direkte Beziehung zwischen Plattenabstand und Kapazität bedeutet, dass kapazitive Drucksensoren hochgradig empfindlich auf Druckänderungen reagieren. Sie eignen sich besonders gut für die Messung sehr niedriger Druckbereiche, wie sie im einstelligen Millibarbereich vorkommen.
• Das Design dieser Sensoren bietet ein hohes Maß an Überlastschutz. Das bewegliche Zwerchfell kann sich bis zur stationären Platte biegen, ohne Schaden zu nehmen, was dazu beiträgt, Sensorausfälle in Situationen zu verhindern, in denen der Druck den vorgesehenen Messbereich überschreitet.
• Kapazitive Drucksensoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen präzise Niederdruckmessungen erforderlich sind, wie in der Umweltüberwachung, medizinischen Geräten und HVAC-Systemen. Ihre hohe Empfindlichkeit und Überlastschutz machen sie zu zuverlässigen und langlebigen Optionen für diese und andere empfindliche Messaufgaben.

Einschränkungen

• Kapazitive Sensoren können empfindlich auf Vibrationen reagieren und benötigen möglicherweise Schutz vor rauen Umgebungen.
• Kapazitive Sensoren können durch Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Platten beeinflusst werden, die durch Faktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur beeinflusst werden können.

Piezoelektrische Druckmessung

Die piezoelektrische Druckmessung bezieht sich auf die Verwendung von piezoelektrischen Materialien zur Messung von Druckänderungen. Piezoelektrische Materialien haben die einzigartige Eigenschaft, bei Anwendung von mechanischem Stress eine elektrische Ladung zu erzeugen. Dieses Phänomen ist als der piezoelektrische Effekt bekannt.

Bestimmte kristalline Materialien, wie Quarz, Turmalin und bestimmte Keramiken, weisen piezoelektrische Eigenschaften auf. Die Struktur des Kristalls ist so beschaffen, dass, wenn er durch die angewendete Kraft verformt wird, die Gitterelemente innerhalb des Kristalls – die elektrisch geladen sind – verschoben werden. Diese Verschiebung führt zur Erzeugung eines elektrischen Dipolmoments innerhalb des Kristalls, was wiederum dazu führt, dass gegenüberliegende Oberflächen des Kristalls positive und negative Ladungen annehmen.

Dies verursacht eine Spannungsdifferenz über den Kristall, die gemessen werden kann. Diese Spannung ist direkt proportional zum angewendeten mechanischen Stress, was die Bestimmung des Drucks aus dem Spannungsausgang des Sensors ermöglicht.

Vorteile

• Keine externe Stromversorgung erforderlich: Piezoelektrische Materialien erzeugen ihre eigene elektrische Ladung als Reaktion auf Druck, sodass sie keine externe Stromquelle benötigen.
• Weiter Dynamikbereich: Piezoelektrische Sensoren können ein breites Spektrum an Drücken messen, von sehr niedrig bis sehr hoch.

Einschränkungen

Piezoelektrische Sensoren eignen sich nicht zur Messung von statischem Druck, da die erzeugte Ladung mit der Zeit abnehmen kann. Außerdem kann die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte elektrische Ladung, besonders bei hohen Temperaturen, abfließen, was die Genauigkeit beeinträchtigen kann.

Aufgrund dieser Einschränkung werden piezoelektrische Drucksensoren typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen sich der Druck schnell ändert, wie bei der Erkennung von Schallwellen, der Überwachung von Verbrennungsprozessen in Motoren oder der Messung von Explosionsdrücken.

Arten von Drucksensoren

Die zuvor diskutierten Prinzipien der Druckmessung sind in drei Haupttypen von Sensoren verfügbar: Keramik-Dickschichtsensoren, Metall-Dünnschichtsensoren und piezoresistive Drucksensoren.

Metall-Dünnschichtsensor

Metall-Dünnschichtsensoren bestehen sowohl aus dem Zwerchfell als auch dem Hauptgehäuse aus Edelstahl, was eine hervorragende Haltbarkeit und Beständigkeit gegen korrosive Medien bietet. Die Dehnungsmessstreifen, zusammen mit Isolationsschichten, Leiterbahnen und Kompensationswiderständen, werden auf die Seite des Zwerchfells aufgetragen, die nicht mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommt. Dies stellt sicher, dass die empfindlichen Komponenten vor der Umgebung geschützt sind.

Merkmale

• Metall-Dünnschichtsensoren werden typischerweise unter Reinraumbedingungen und manchmal sogar im Vakuum hergestellt, um höchste Qualität zu gewährleisten und Kontamination zu vermeiden.
• Metall-Dünnschichtsensoren sind sehr stabil und widerstandsfähig gegen Schock und Vibration, was sie gut geeignet für Anwendungen mit dynamischen Lasten macht.
• Sie können direkt auf eine Systemverbindung geschweißt werden, was separate Dichtungsmaterialien überflüssig macht. Dies kann die Installation vereinfachen und die Integrität der Sensorverbindung verbessern.
• Die Duktilität von Stahl ermöglicht ein gewisses Maß an Verformung ohne Versagen; diese Sensoren haben im Allgemeinen einen niedrigeren Überdruckbereich (Druck, der den konzipierten Betriebsdruckbereich übersteigt). Sie können jedoch sehr hohe Berstdrücke aushalten, was Sicherheit in Anwendungen gewährleistet, bei denen plötzliche Druckspitzen auftreten können.

Keramik-Dickschichtsensor

Keramik-Dickschichtsensoren haben das Hauptgehäuse und das Zwerchfell aus Keramik, typischerweise Aluminiumoxid (Al2O3), das wegen seiner Verarbeitbarkeit und Stabilität gewählt wird. Die Dehnungsmessstreifen werden auf die Seite des keramischen Zwerchfells aufgetragen, die nicht mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommt. Diese Messstreifen bestehen aus einer speziellen Paste, die in einer dicken Schicht aufgetragen wird – daher der Begriff "Dickschicht". Die Paste wird dann bei hohen Temperaturen in das Zwerchfell eingebrannt und anschließend mit einer Schutzbeschichtung überzogen, um Haltbarkeit zu gewährleisten.

• Die Herstellung von Keramik-Dickschichtsensoren erfolgt unter Reinraumbedingungen, um Kontamination zu vermeiden. Keramikmaterialien sind hochgradig korrosionsbeständig, was diese Sensoren für den Einsatz in rauen chemischen Umgebungen geeignet macht.
• Die zusätzlich erforderliche Dichtung für die Sensorbaugruppe ist möglicherweise nicht gegen alle Medien beständig.
• Keramik ist auch ein sprödes Material, was bedeutet, dass diese Sensoren zwar erheblichen Druck aushalten können, sie aber möglicherweise einen niedrigeren Berstdruck im Vergleich zu Metall-Dünnschichtsensoren haben.

Piezoresistiver Sensor

Piezoresistive Sensoren sind in ihrer Konstruktion komplexer als Keramik-Dickschicht- oder Metall-Dünnschichtsensoren. Das Herzstück eines piezoresistiven Sensors ist ein Siliziumchip, der das Zwerchfell mit eingebetteten piezoresistiven Widerständen beherbergt. Diese Chips sind viel kleiner in der Oberfläche im Vergleich zu den Zwerchfellen, die in Dickschicht- oder Dünnschichtsensoren verwendet werden, oft nur wenige Quadratmillimeter groß.

Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen müssen piezoresistive Chips geschützt werden. Dies wird erreicht, indem der Chip in ein Edelstahlgehäuse eingekapselt wird, das mit einem dünnen Edelstahlzwerchfell (Abbildung 4 beschriftet mit E) versiegelt ist. Der Raum innerhalb des Gehäuses wird mit einer Übertragungsflüssigkeit (Abbildung 4 beschriftet mit F) gefüllt, die den Druck vom äußeren Zwerchfell auf das Sensordiaphragma überträgt. Spezielle Verdrängungskörper (Abbildung 4 beschriftet mit C) minimieren die Auswirkungen der thermischen Ausdehnung der Übertragungsflüssigkeit auf die Messgenauigkeit.

Der Sensorchip wird montiert und elektrisch verbunden mithilfe eines Headers (Abbildung 4 beschriftet mit B), der hermetisch mit dem Gehäuse verschweißt werden kann. Bond-Drähte (Abbildung 4 beschriftet mit H) verbinden den Sensor mit externen Pins (Abbildung 4 beschriftet mit A). Ein Belüftungsschlauch (Abbildung 4 beschriftet mit G) ist im Zentrum des Headers positioniert und führt zur Rückseite des Sensordiaphragmas. Dieser Schlauch ermöglicht die Messung des absoluten Drucks, wenn die Kammer hinter dem Sensor evakuiert und der Schlauch versiegelt wird. Ist der Belüftungsschlauch offen, misst der Sensor den relativen Druck, wobei der Schlauch entweder durch das äußere Gehäuse oder ein belüftetes Kabel mit der Umgebung verbunden ist. Es ist entscheidend, den Belüftungsschlauch vor Kontamination und Feuchtigkeit zu schützen, um die Genauigkeit des Sensors zu erhalten.

Die richtige Sensortechnologie auswählen

Tabelle 1: Verschiedene Messanwendungen mit Sensortechnologien

Anforderung	Sensorprinzip
	Metall-Dünnschichtsensor	Keramik-Dickschicht	Piezoresistiv
Absolute Druckmessung	Nicht geeignet	Teilweise erfüllt	Gut
Sehr niedrige Druckbereiche	Nicht geeignet	Nicht geeignet	Gut
Sehr hohe Druckbereiche	Gut	Nicht geeignet	Nicht geeignet
Schock- und Vibrationsbeständigkeit	Gut	Teilweise erfüllt	Teilweise erfüllt
Langzeitstabilität	Gut	Teilweise erfüllt	Gut

Wie Druckschalter funktionieren

Ein Druckschalter ist im Wesentlichen ein Drucksensor, der eine zusätzliche Komponente – einen mechanischen oder elektronischen Schalter – integriert. Diese Integration ermöglicht es dem Gerät nicht nur, den Druck zu messen, sondern auch auf den gemessenen Wert zu reagieren, indem ein elektrischer Stromkreis geöffnet oder geschlossen wird, sobald der Druck einen vordefinierten Schwellenwert erreicht.

• Mechanische Schalter: Bei einem mechanischen Druckschalter wirkt die Druckmesskomponente (der Sensor) direkt auf einen mechanischen Schalter. Wenn der Druck ein bestimmtes Niveau erreicht, verursacht dies eine physische Bewegung (wie die Biegung eines Diaphragmas oder eine Kolbenbewegung), die mechanisch einen Schalter auslöst, um einen elektrischen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen. Diese Aktion kann ein System ein- oder ausschalten, Alarme aktivieren oder andere mechanische Prozesse einleiten.
• Elektronische Schalter: Elektronische Druckschalter integrieren einen Drucksensor, der den Druck in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird dann von einer elektronischen Schaltung verarbeitet, die bestimmt, ob der Druck über oder unter einem benutzerdefinierten Schwellenwert liegt. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, aktiviert die elektronische Schaltung ein Relais oder einen Transistorschalter und öffnet oder schließt damit einen elektrischen Stromkreis. Diese Art von Schalter bietet größere Flexibilität und Präzision, da der Schwellenwert leicht durch Software angepasst werden kann und der Schalter so konzipiert werden kann, dass er verschiedene elektronische Aktionen auslöst.