Drucksensoren - Ein kurzer Überblick

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Begriffsdefinition des „Drucksensors“
2.1 Physikalische Definition des Drucks
2.1.1 Druckeinheiten
2.1.2 Druckgrößen
2.2 Begriff des Sensors
2.3 Sensor-Systeme

3. Eigenschaften von Sensoren
3.1 Aufbau eines Sensors
3.2 Aktive und passive Sensoren
3.3 Anforderungen an Sensoren

4. Elektrische Druckmessverfahren
4.1 Dehnungsmessstreifen
4.2 Magnetoelastische Messung
4.3 Kapazitive Sensoren
4.4 Piezoelektrische Messung
4.5 Piezoresistive Messung
4.6 Galvanomagnetische Messung
4.7 Druckmessung mit akustischen Oberflächenwellen

5. Sensorvernetzung
5.1 Grundlagen
5.2 Aktor/Sensor-Interface

6. Anwendungsbeispiel

7. Zusammenfassung

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Das Interesse an Messsystemen, u.a. für Druckgrößen, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Die fortschreitende Automatisierung macht es erforderlich, diese verstärkt in die Überwachung und Regelung mit einzubeziehen. In der Prozesstechnik werden etwa bei 35% aller Messungen Drücke gemessen. So ist in der Pneumatik der z.B. Staudruck eine wichtige Größe [1, S. 167].

Anhand dieser kurzen Einleitung lässt sich schnell die Praxisrelevanz für das behandelte Thema feststellen. Im Rahmen dieser Belegarbeit wird ein allgemeiner Überblick über das Thema Sensoren mit spezieller Sicht auf die Drucksensoren geboten. Sie sind hinsichtlich ihrer Form als auch der Größe keinen Einschränkungen unterworfen. Die verschiedenen Messverfahren werden jeweils anhand eines kurzen, prägnanten Beispiels vertiefend erläutert; hinzu kommt ein ausführlicheres Anwendungsbeispiel. Darüber hinaus werden die verschiedenen technologischen Prinzipien, auf denen die jeweiligen Druckmessverfahren beruhen ebenso behandelt wie auch die Anforderungen an die Drucksensoren je nach ihrem Einsatzort und den Umgebungsbedingungen. Eine Eingrenzung findet insofern statt, als dass beispielsweise komplexe physikalische Prinzipien, auf denen die verschiedenen Funktionsweisen beruhen, nur in allgemeiner, verbaler Form beschrieben werden.

Die Vernetzung von Sensoren wird kurz angeschnitten um das Gesamtbild dieser Belegarbeit abzurunden.

2. Begriffsdefinition des „Drucksensors“

2.1 Physikalische Definition des Drucks

Der Druck ist allgemein als eine Kraft pro Fläche definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit p [Pa]: Druck; F [N]: Kraft; A [m²]: Fläche

Die Kraft F hat eine Richtung (sie ist ein Vektor), genauso wie die Fläche A (sie ist ebenfalls als Vektor definiert); der Druck p dagegen ist ein Skalar (er hat keine Richtung) [2, S. 12].

Es wird ausschließlich der Anteil der Kraft berücksichtigt, der senkrecht zur Fläche wirkt. Die Richtung des Flächenvektors wird ebenfalls senkrecht zur Fläche definiert. Der z.B. in einem Gefäß entstehende Druck führt demnach dazu, dass eine senkrecht gerichtete Kraft zur Gefäßwand auftritt.

Dadurch, dass der Druck p keine Richtung hat, ergibt sich eine wichtige Konsequenz für die Einbaulage eines Drucksensors: Diese ist völlig unerheblich für die Messung des Drucks. Um den Druck am Boden eines Gefäßes zu messen (er ist an allen Gefäßwänden gleich groß), muss der Sensor demnach nicht nach oben gerichtet sein. Außerdem lässt sich der Gesamtdruck so einfach durch die Addition aller Einzelkomponenten errechnen [2, S. 12f].

2.1.1 Druckeinheiten

Die Einheit des Drucks ist in der DIN 1301^[1] definiert als 1 Pascal = 1 Pa = 1 N / m², wobei 1 Newton = 1 N = 1 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist.

Als veranschaulichendes Beispiel soll hier eine 100g (0,1kg) schwere Tafel Schokolade dienen, wobei deren Form völlig unerheblich ist. Diese liegt auf einer (Tisch-) Fläche von 1m². Die Gewichtskraft der Schokoladentafel errechnet sich durch die Gleichung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit F [N]: Kraft; m [kg]: Gewicht und g [m/s²]: Beschleunigung (die Erdbeschleunigung beträgt 9,81 m/s²). Es ergibt sich eine Gewichtskraft von ca. 1 N und demnach ein Druck von 1 Pa (siehe Formel aus 2.1) auf die Fläche des Tisches. 1 Pa ist also ein sehr kleiner Wert [2, S. 14f] [4, S. 150].

Häufig wird so für die Skaleneinteilung von Druckmessgeräten das Vielfache von dieser Einheit gewählt. In der Verfahrenstechnik wird fast ausschließlich die Einheit 1 bar = 105 N / m² = 105 Pa verwendet [4, S. 150].

2.1.2 Druckgrößen

In der Verfahrenstechnik sind drei verschiedene Druckarten (siehe Abb. 1)von Bedeutung:

- Absolutdruck pabs: Bezugspunkt ist das absolute Vakuum,
- Überdruck pe: Bezugspunkt ist der atmosphärische Luftdruck und
- Differenzdruck ∆p: Differenz zwischen zwei im selben Bezugssystem gemessen (Absolut-) drücken [5, S. 1] [6, S. 34].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Begriff des Sensors

Das Wort ist aus dem Lateinischen abgeleitet und geht auf die Begriffe „sensus“, was soviel wie „das Wahrnehmen, Beobachtung“ heißt und „sentire“, was „fühlen, wahrnehmen“ entspricht. Andere Begriffe sind daher ebenfalls üblich, wie z.B. Messfühler, Messaufnehmer, Umwandler etc., umfassen aber auch Geräte und Messsysteme, die hier nicht als Sensor bezeichnet werden und die z.B. Signale verstärken, weiterleiten und anzeigen [7] [8, S. 1].

Um den Begriff einzugrenzen, soll deshalb die folgende Definition herangezogen werden, nach der der Sensor „das primäre Element in einer Messkette“ ist, „das eine variable Eingangsgröße in ein geeignetes Messsignal umsetzt“ [8, S. 1].

Der Sensor ist so gesehen eine Baueinheit, die aus einem (mechanischen) Umsetzelement und einem elektronischen Bauelement besteht, durch das elektrische Signale hinein- und hinausgeleitet werden (auch Wandler genannt); in diesem Fall sind diese daher die Informationsträger. Die Umwelt beeinflusst mit ihren mechanischen, thermischen, magnetischen oder optischen Parametern die Eingangssignale innerhalb des Sensors, so dass die prinzipielle Aufgabe darin besteht, eine – im allgemeinen nichtelektrische, physikalische – Größe in eine elektrische Größe zu wandeln [1, S. 2] [8, S. 1].

Im Folgenden wird aufgrund dieser Eingrenzung nicht auf die Druckmessung unter mechanischen Wirkprinzipien eingegangen, wo der Druck von Messgeräten z.B. mittels einer Rohrfeder gemessen und durch einen Zeiger angezeigt wird (Manometer).

2.3 Sensor-Systeme

In dem Sensor nach der hier angeführten Definition wird zusammengefasst eine (im Regelfall) physikalische Größe in eine (analoge) elektrische Größe umgewandelt. Dieser Energietransformation folgt eine Signalaufbereitung, die z.B. Verstärkung, Filterung, Analog-Digital-Wandlung oder Korrekturschaltungen beinhaltet. Es müssen Nichtlinearitäten des Sensors berücksichtigt, Kalibrierwerte angebracht und Korrekturen wegen Umweltbeeinflussung verknüpft werden. Die dazu nötige Elektronik kann entweder mit dem Sensor integriert sein oder räumlich von ihm getrennt. Im ersten Fall spricht man von einem integrierten Sensor. Schließt die nachgeschaltete Elektronik außerdem noch Mikrorechner ein, um etwa Diagnoseschritte, Tests oder Korrekturalgorithmen als weitere Signalverarbeitung durchzuführen, so bezeichnet man dieses Gesamt-System als intelligenten Sensor (siehe Abb. 2) [9, S. 15] [10, S. 231].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Vollständigkeit halber soll an dieser Stelle kurz auf den Bezug zum Aktor, dem sogenannten Stellglied eingegangen werden. Ein weiterer Schritt besteht daher darin, den Sensor über die Mikroelektronik mit dem Aktor zu koppeln. Die vom Sensor gewonnene Information über den Zustand und Ablauf eines Prozesses wird nach der Signalverarbeitung einem Aktor zugeführt, welcher auf den Prozess rückwirkt [9, S. 11].

[...]

^[1] „ DIN - Abkürzung des Deutschen Instituts für Normung e.V., das als gemeinnütziger Zweckverband mit Sitz in Berlin Normen verschiedenster Art erstellt und im Deutschen Normenwerk registriert“ [3] ist. Sinn und Zweck von Normungsarbeiten ist etwa Rationalisierung und Qualitätssicherung [3].