Überblick zu Druckmessungen

Druck gibt die Kraft pro Fläche an, die von einem Fluid auf seine Umgebung ausgeübt wird. Druck (p) ist das Ergebnis einer auf eine Fläche (A) einwirkenden Kraft (F):

p = F/A

Die Sl-Einheit für Druck ist Pascal (N/m²). Andere häufige Messeinheiten für Druck sind Pound-force per square inch (psi, "Pfund pro Quadratzoll"), physikalische Atmosphäre (atm), Bar, Zoll-Quecksilbersäule (inHg) und Millimeter-Quecksilbersäule (mm Hg) sowie Torr.

Eine Druckmessung kann entweder statisch oder dynamisch sein. Bei Messungen ohne Bewegung ist der Druck statisch . Beispiele für statischen Druck sind der Luftdruck in einem Ballon oder der Wasserdruck in einem Behälter. Oft ändert sich durch die Bewegung eines Fluids der Druck, der auf die Umgebung ausgeübt wird. Stellen Sie sich beispielsweise vor, der Druck von Wasser in einem Schlauch mit geschlossener Sprühdüse beträgt 40 Pound-force per square inch (psi) - Kraft pro Fläche. Beim Öffnen der Sprühdüse fällt der Druck mit dem Ablaufen des Wassers ab. Bei einer genauen Druckmessung müssen die Umstände, unter denen gemessen wird, mit einbezogen werden. Viele Faktoren wie die Flussrate, Kompressionsfähigkeit des Fluids und externe Kräfte wirken sich auf den Druck aus.

Eine Druckmessung kann weiterhin anhand des Typs der durchgeführten Messung charakterisiert werden. Die drei Methoden der Druckmessung sind Absolut-, Relativ- und Differenzdruckmessung. Absoluter Druck bezieht sich auf den Druck in einem Vakuum, während Relativ- und Differenzdruck unter Bezugnahme auf einen anderen Druck wie den atmosphärischen Luftdruck oder den Druck in einem angrenzenden Behälter berechnet werden.

Absoluter Druck

Die absolute Druckmessung erfolgt gegenüber dem statischen Druck in einem Vakuum (0 Pa). Der gemessene Druck unterliegt atmosphärischem Druck, der auf den zu untersuchenden Druck einwirkt. Daher müssen bei absoluten Druckmessungen die Auswirkungen von atmosphärischem Druck einbezogen werden, Diese Art der Druckmessung ist gut geeignet für atmosphärische Drücke (z. B. in Höhenmessern) und Vakuumdrücke. Oft werden die Abkürzungen Paa ("Pascal’s absolute") oder psia ("pounds per square inch absolute") zum Beschreiben von absolutem Druck verwendet.

Relativer Druck

Relativer Druck wird relativ zum atmosphärischen Luftdruck gemessen. Sowohl der Referenzdruck als auch der zu untersuchende Druck werden vom atmosphärischen Druck beeinflusst. Daher fallen bei relativen Druckmessungen die Auswirkungen von atmosphärischem Druck nicht ins Gewicht. Reifendruck- und Blutdruckmessungen gehören zu solchen Arten von Messungen. Ähnlich wie beim absoluten Druck werden für den relativen Druck die Abkürzungen Pag ("Pascal’s gauge") oder psig ("pounds per square inch gauge") verwendet.

Differenzdruck

Differenzdruck ist dem relativen Druck ähnlich, jedoch dient als Referenz anstelle des atmosphärischen Luftdrucks ein anderer Druckpunkt im System. Sie können diese Methode verwenden, um relativen Druck zwischen zwei Behältern aufrecht zu erhalten, z. B. zwischen einem Drucktank und einem verbundenen Zulauf. Oft werden die Abkürzungen Pad ("Pascal’s differential") oder psid ("pounds per square inch differential") zum Beschreiben des Differenzdrucks verwendet.

Verschiedene Messbedingungen und -bereiche sowie Materialien, die beim Erstellen eines Sensors verwendet werden, führen zu Abweichungen bei Drucksensorentwürfen. Druck wird zudem oft in Zwischengrößen wie z. B. Verdrängung umgerechnet. Die Verdrängung wird anhand der Schwingung an einer Membran ermittelt, die im Weg des Fluids positioniert ist. Anschließend wird die Verdrängung vom Sensor in eine elektrische Größe wie Spannung oder Stromstärke umgewandelt. Unter Verwendung der bekannten Fläche der Membran können Sie dann den Druck berechnen. Drucksensoren sind mit einer Skala versehen, die eine Methode zur Umwandlung in technische Einheiten bietet.

Die drei am häufigsten verwendeten Arten von Drucksensoren sind die Brücke (Dehnungsmessstreifen), variable kapazitive und piezoelektrische Sensoren.

Brückenbasierte Drucksensoren

Unter den Drucksensoren sind die Wheatstone-Brückensensoren (Dehnungsmessung) am häufigsten anzutreffen, da sie die unterschiedlichsten Anforderungen an Genauigkeit und Größe erfüllen sowie robust und kostengünstig sind. Brückenbasierte Sensoren können Differenzdruck, absoluten oder relativen Druck sowohl in Hoch- als auch in Niedrigdruckanwendungen messen. Die Verformung einer Membran, auf die Druck ausgeübt wird, wird mit Hilfe eines Dehnungsmessstreifens ermittelt.

Wenn eine Druckänderung zu einer Verformung der Membran führt, kann die entsprechende Änderung im Widerstand auf den Dehnungsmesser mit einem konditionierten DAQ-System ermittelt werden. Sie können Dehnungsmessstreifen aus Metallfolie direkt mit einer Membran oder mit einem Element verbinden, das mechanisch mit der Membran verbunden ist. Dehnungsmessstreifen aus Silizium werden auch manchmal verwendet. Bei dieser Methode werden Widerstände auf ein siliziumbasiertes Substrat geätzt und der Druck wird mit Hilfe eines Übertragungsfluids von der Membran an das Substrat übertragen.

Kapazitive Drucksensoren

Ein variabler kapazitativer Drucksensor misst die Änderung in der Kapazität zwischen einer Metallmembran und einer festen Metallplatte. Die Kapazität zwischen zwei Metallplatten ändert sich, wenn sich Abstand zwischen diesen beiden Platten durch ausgeübten Druck ändert.

Piezolelektrische Drucksensoren

Piezoelektrische Sensoren arbeiten mit den elektrischen Eigenschaften von Quartzkristallen, anstatt mit einem Widerstandssensor. Bei Dehnung wird in diesen Kristallen eine elektrische Ladung erzeugt. Elektroden übertragen die Ladung von den Kristallen auf einen im Sensor integrierten Verstärker. Diese Sensoren erfordern keine externe Erregerquelle. Sie sind jedoch schock- und vibrationsempfindlich.

Sensoren für konditionierte Druckmessungen

Sensoren mit integrierten Schaltkreisen wie Verstärker werden als verstärkte Sensoren bezeichnet. Diese Arten von Sensoren können mit brückenbasierten, kapizitativen oder piezoelektrischen Sensoren erstellt werden. Im Falle eines brückenbasierten verstärkten Sensors enthält das Gerät selbst Ergänzungswiderstände und bietet die notwendige Verstärkung zur direkten Druckmessung mit einem DAQ-Gerät. Obgleich eine Erregerspannung nach wie vor benötigt wird, ist die Genauigkeit hier weniger wichtig.

Optische Drucksensoren

Das Messen von Druck mit Hilfe von optischen Sensoren hat viele Vorteile, wie z. B. Rauschunempfindlichkeit und Isolation. WeitereInformationen zu dieser Messmethode finden Sie unter Fundamentals of FBG Optical Sensing.

Brückenbasierte oder piezoresistive Sensoren werden aufgrund ihrer einfachen Bauweise und Robustheit die am häufigsten verwendet. Diese Merkmale und geringe Kosten machen diese Sensoren ideal für Systeme mit hoher Kanalanzahl. Im Allgemeinen werden Folien-Dehnungsmessstreifen in Hochdruckanwendungen (bis zu 700M Pa) verwendet. Sie können einer höheren Betriebstemperatur als Dehnungsmessstreifen aus Silizium standhalten (200 °C, verglichen mit 100 °C). Silizium-Dehnungsmessstreifen können jedoch höheren Belastlungen ausgesetzt werden. Da Silizium-Dehnungsmessstreifen empfindlicher sind, werden sie oft in Niedrigdruckanwendungen bevorzugt (~2000 Pa).

Kapazitative und piezoelektrische Drucksensoren sind generell stabiler und linear, sind jedoch temperaturempfindlicher und schwieriger zu implementieren als die meisten anderen Drucksensoren. Piezoelektrische Sensoren reagieren schnell auf Druckänderungen. Aus diesem Grund werden sie für schnelle Messungen wie beispielsweise zum Messen von Druck bei Explosionen eingesetzt. Aufgrund ihrer überragenden dynamischen Leistung sind piezoelektrische Sensoren teuer und der empfindliche Kristallkern muss geschützt werden.

Konditionierte Sensoren sind im Allgemeinen teurer, weil sie zusätzlich zu den Erregerleitungen und Schaltkreisen für Messungen auch über Bauteile für Filterung und Signalverstärkung verfügen. Das kann bei Systemen mit niedriger Kanalanzahl nützlich sein, die kein Signalaufbereitungssystem erfordern. Wenn die Signalaufbereitung bereits integriert ist, können Sie den Sensor direkt an ein DAQ-Gerät anschließen, solange der Sensor mit Strom versorgt wird. Wenn nicht konditionierte brückenbasierte Sensoren verwendet werden, ist für die Hardware eine Signalaufbereitung erforderlich. Die Dokumentation zum Sensor gibt an, ob zusätzliche Bauteile zur Verstärkung oder Filterung benötigt werden.

Brückenbasierte Drucksensoren sind bei weitem die am häufigsten verwendeten Drucksensoren. Für ein effektives brückenbasiertes System zur Druckmessung werden oft mehrere verschiedene Signalaufbereitungselemente benötigt. Sie benötigen möglicherweise eines oder mehrere der folgenden Elemente:

• Erregung zum Betreiben von Wheatstone-Brückenschaltungen
• Remote-Sense- bzw. Fernmessfunktion, um Fehler in der Erregerspannung aus langen Verbindungsleitungen auszugleichen
• Verstärkung, um die Messauflösung zu erhöhen und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern
• Filterung, um externes Hochfrequenzrauschen zu entfernen
• Brückenabgleich, um die Brücke bei fehlender Dehnungseinwirkung auf eine Ausgabe von 0 V auszugleichen
• Shunt-Kalibrierung (Verstärkungseinstellung), um die Ausgabe der Brücke gegen einen bekannten Wert zu überprüfen

Um zu erfahren, wie Sie für diese Fehler kompensieren und zum Einsehen von Hardwareanforderungen für brückenbasierte Druckmessungen können Sie das Dokument  Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements herunterladen.

Informationsquellen

1. http://sensing.honeywell.com/white-paper-effectivelyusingpressureloadandtorquesensorswithtodaysdataacqusitionsystems-008883-2-en.pdf
2. http://www.sensorsmag.com/sensors/pressure/pressure-measurement-principles-and-practice-969