Druck
Die physikalische Größe Druck (p) ist der Quotient einer senkrecht auf eine Fläche (A) einwirkenden Kraft (F) und dem Flächeninhalt dieser Fläche: p = F/A
Die abgeleitete Sl-Einheit für Druck ist Pascal (N/m). Die in Europa gebräuchlichste Einheit für den Druck ist das Bar (bar) und ist in etwa der Luftdruck auf der Erdoberfläche.
Methoden der Druckmessung
Die drei Methoden der Druckmessung sind Absolut-, Relativ- und Differenzdruckmessung.
Absoluter Druck
Als absolute Druckmessung bezeichnet man die Messung eines Drucks bezogen auf den Druck in einem Vakuum (0 Pa). Diese Messung ist gut geeignet für atmosphärische Drücke - z. B. in Höhenmessern.
Relativer Druck
Relativer Druck hingegen wird bezogen auf den atmosphärischen Luftdruck gemessen. Da sowohl der Referenzdruck als auch der zu messende Druck vom atmosphärischen Druck beeinflusst werden, können dessen Auswirkungen bei dieser Messmethode vernachlässigt werden. Ein Beispiel ist hier die Messung des Reifendrucks an Fahrzeugen.
Differenzdruck
Die Messung des Differenzdrucks ähnelt der Messung des relativen Drucks, hier jedoch als Referenz anstelle des atmosphärischen Luftdrucks ein anderer Druck im System. Diese Methode wird z. B. verwenden, um den Druckunterschied zwischen zwei Behältern zu erfassen.
Funktionsweise von Drucksensoren
Elektronische Drucksensoren wandeln den zu messenden Druck oder Druckänderungen über einen physikalischen Effekt in ein genaues und wiederholbares elektrisches Signal um. Dieses Signal ist das Maß für den einwirkenden Druck oder die Druckänderung.
Resistive Drucksensoren
Das Prinzip der resistiven Druckmessung beruht auf der Messung der Änderung des elektrischen Widerstands durch druckabhängige Verformung. Hierbei wird die Verformung einer Membran, auf die Druck ausgeübt wird, mithilfe von metallischen Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst. Dehnungsmessstreifen bestehen typischerweise aus auf einen Träger aufgebrachten mäanderförmigen Leitern aus Metall. Der spezifische Widerstand ist geometrieabhängig und vergrößert sich durch Dehnung, bei Stauchung verkleinert er sich. Üblicherweise sind vier DMS auf einer druckempfindlichen Membran aufgebracht. Zur exakten Messung der Widerstandsänderung werden die DMS zu einer Wheatstone´schen Brücke verschaltet.
Piezoresistive Drucksensoren
Das Prinzip der piezoresistiven Druckmessung entspricht dem der resistiven Druckmessung. Allerdings bestehen die DMS hier aus Halbleitermaterial. Die Verformung durch Dehnen oder Stauchen bewirkt hier durch den piezoresistiven Effekt eine direkte Änderung des spezifischen Widerstandes und nicht wie bei den metallischen DMS durch eine Änderung der Geometrie. Bei Halbleitern übertrifft der piezoresistive Effekt den Effekt durch die Geometrie-Änderung um den Faktor 10 bis 100.
Anders als metallische DMS, die auf nahezu jedes Material aufgebracht werden können, werden die Halbleiter-DMS in die Membran integriert. Die DMS und der Verformungskörper basieren daher auf demselben Halbleitermaterial – typischerweise Silizium. Vier DMS werden in der Membran wiederum zu einer Wheatstone’schen Messbrücke verschaltet.
Kapazitive Drucksensoren
Ein kapazitativer Drucksensor misst die durch Druck verursachte Änderung des Plattenabstandes und damit der Kapazität eines Kondensators. Eine der beiden Platten ist hierbei eine Metallmembran, die durch die Einwirkung von Druck ausgelenkt wird. Beruhend auf diesem Messprinzip lassen sich Drücke mit hoher Empfindlichkeit messen. Die kapazitive Druckmessung eignet sich deshalb sehr gut für die Erfassung niedriger Drücke bis in den einstelligen Millibar-Bereich.
Piezolelektrische Drucksensoren
Piezoelektrische Sensoren beruhen auf dem piezoelektrischen Effekt von Quarz-Kristallen. Bei Dehnung wird in diesen Kristallen eine elektrische Ladung erzeugt, die auf einen im Sensor integrierten Verstärker übertragen wird. Der piezoelektrische Effekt eignet sich nur für die Erfassung von dynamischen Drücken, deshalb ist der Einsatz in der Praxis auf Spezialanwendungen beschränkt.
Welcher Sensor für welche Anwendung
Am häufigsten werden aufgrund ihrer einfachen und robusten Bauweise resistive oder piezoresistive Drucksensoren verwendet. Diese Sensoren sind – auch wegen der geringen Herstellungskosten - ideal für Messsysteme mit hoher Kanalanzahl. Metallische Dehnungsmessstreifen werden oft in Hochdruckanwendungen (bis zu 700 MPa) verwendet. Außerdem können sie bei höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt als Dehnungsmessstreifen aus Silizium. Silizium-Dehnungsmessstreifen sind empfindlicher und kommen daher oft in Niedrigdruckanwendungen bis ca. 2000 Pa zum Einsatz.
Kapazitative und piezoelektrische Drucksensoren sind generell stabiler und linear, jedoch temperaturempfindlicher und schwieriger zu implementieren. Da piezoelektrische Sensoren auf schnelle Druckänderungen reagieren, werden sie häufig bei der Messung entsprechend schneller Signale verwendet, wie zum zur Druckmessung bei Explosionen. Allerdings ist die Herstellung dieser Sensoren teuer, unter anderem weil der empfindliche Kristallkern gut geschützt werden muss.
Druckmessung mit dem dydaqlog Datenlogger
Die meisten Drucksensoren können direkt an den dydaqlog Datenlogger angeschlossen werden. Kapazitive Drucksensoren besitzen üblicherweise für das Sensorsignal einen analogen Spannungs- oder Stromausgang. Der Datenlogger bietet Skalierungsfunktionen, die diese Eingangssignale direkt in einen proportionalen Druck umrechnen.
Auf metallischen oder piezoresistiven Dehnungsmessstreifen (DMS) beruhende Drucksensoren werden zu einer Wheatstone´schen Brücke verschaltet. Auch diese Sensoren können direkt an den dydaqlog Datenlogger angeschlossen werden. Der Datenlogger stellt eine stabilisierte Gleichspannung US zur Brückenspeisung bereit. Die Widerstände R1 / R2 sowie R4 / R3 bilden in jeder Brückenhälfte einen Spannungsteiler, an deren Knotenpunkten die Brücken-Ausgangs-Spannung UA abgegriffen wird. Verändern sich durch Stauchung oder Dehnung die Widerstände der DMS in den beiden Brückenhälften, wird die Brücke „verstimmt“ und die Ausgangsspannung verändert sich ebenfalls. Vereinfacht dargestellt berechnet der dydaqlog Datenlogger aus der Differenz der Speisespannung und der Ausgangsspannung die Größe des Drucks, der auf die Membran des Sensors einwirkt. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird hierbei die Speisespannung direkt an der Messbrücke „zurück“ gemessen (USA).
Anwendungsbeispiele:
• Monitoring/(Fern)Überwachung von Industrie-Pumpen und Pumpenanlagen
• Monitoring/(Fern)Überwachung von Maschinendaten
• Monitoring/(Fern)Überwachung von Umweltdaten und Raumparametern
Hier können Sie schalten und walten und eine eigenen Messapplikation programmieren und sich so von der Leistungsfähigkeit unseres dydaqlog Datenloggers selbst überzeugen.
Video-Clips zur Inbetriebnahme und Anwendung unseres dydaqlog Datenloggers finden Sie hier.