
Drucksensoren haben sehr verschiedene Anwendungszwecke. Dafür müssen sie über unterschiedliche Eigenschaften verfügen. Es gibt mehrere Technologien, wie Druck gemessen werden kann. Je nach Szenario muss der gemessene Druck auch mit einer anderen Referenz verglichen werden. Es gibt auch diverse Möglichkeiten, wie die Signale verarbeitet und dann ausgegeben werden. Diese und weitere Aspekte von Drucksensoren sollen hier noch weiter ausgeführt werden.
Drucksensoren
Drucksensoren haben sehr verschiedene Anwendungszwecke. Dafür müssen sie über unterschiedliche Eigenschaften verfügen. Es gibt mehrere Technologien, wie Druck gemessen werden kann. Je nach Szenario muss der gemessene Druck auch mit einer anderen Referenz verglichen werden. Es gibt auch diverse Möglichkeiten, wie die Signale verarbeitet und dann ausgegeben werden. Diese und weitere Aspekte von Drucksensoren sollen hier noch weiter ausgeführt werden.
Resistive Sensoren
Resistive Sensoren arbeiten mit einem oder mehreren durch Dehnung veränderlichen Widerstände. Diese Widerstände sind in eine Wheatstone-Brücke eingebunden. Über die Spannungsdifferenzen der Punkte A und B in Abb. 1 kann die Stauchung bzw. Dehnung der jeweiligen Widerstände abgeleitet werden. Die meisten resistiven Drucksensoren basieren auf diesem Prinzip. Die Trägermembran, auf die die Widerstände aufgebracht sind, kann aber sehr unterschiedlich aufgebaut sein.
Silizium Drucksensoren
Siliziumdrucksensoren sind piezo-resistive Sensoren, bei denen Fremdatome auf eine Siliziummembran aufgebracht werden, die wie dehnungsabhängige Widerstände agieren. "Piezo" deshalb, weil die Variation des Widerstandes auf kristallinen Strukturen basiert. Die Membrandicke beträgt im Normalfall 10-50 µm. Die Unterseite der Membran ist ziemlich resistent gegen Gase und aggressive Flüssigkeiten. Die mit Fremdatomen bestückte Oberseite ist hingegen deutlich anfälliger. Siliziumdrucksensoren können zur Umgehung dieses Problems noch mit einer zusätzlichen, chemisch stabilen äusseren Membran bestückt werden, wobei der Raum zwischen den beiden Membranen mit einem Öl zur Druckübertragung aufgefüllt wird. Nachteil dieser Anordnung ist allerdings das Risiko von austretendem Öl bei Beschädigung des Sensors, was besonders in Pharma- oder Lebensmittelandwendungen teure Folgen haben kann.
Piezo-resistive Siliziumsensoren haben eine hohe Genauigkeit und eignen sich vor allem für die tiefen Druckbereiche. Im Gegenzug sind sie nicht sehr Schockresistent.
Keramik-Dickschichtsensoren
Bei Keramik-Dickschichtsensoren werden Widerstände im Druckverfahren auf die Keramikmembran aufgebracht. Die Keramiken sind sehr resistent gegen aggressive Medien und eignen sich für mittlere Druckbereich. Ausserdem sind sie in der Herstellung kostengünstig.
Metall-Dünnfilmsensoren
Bei Metall-Dünnfilmsensoren werden die Widerstände auf eine Edelstahlmembran aufgebracht. Metall-Dünnfilmsensoren eigenen sich nicht als Absolutdrucksensoren, da das erzeugen eines Vakuums hinter der Metallmembran sehr aufwändig ist. Dafür sind sie umso Widerstandsfähiger gegen Überdruck, hohe Temperaturen und Vibrationen. Sie eigenen sich allgemein eher für die höheren Druckbereiche, bis zu mehreren 1000 Bar.
Kapazitive Sensoren
Bei kapazitiven Sensoren wird die Kapazität zwischen der Sensorrückwand und einer Membran gemessen. Je näher sich diese beiden Elektroden sind, desto höher die Kapazität. Aus der Messung dieser Kapazität können genauere und höher aufgelöste Druckwerte ausgelesen werden, als dies bei resistiven Bauformen der Fall ist. Ausserdem sind kapazitive Sensoren Lageunabhängig. Das bedeutet, dass es keinen Einfluss auf die Messung hat, ob der Sensor z. B. seitlich oder nach unten montiert wird. Kapazitive Sensoren haben ausserdem einen tiefen Energieverbrauch, was vor allem in Batteriebetriebenen Systemen von Vorteil ist. Nachteilig hingegen ist der Drift, das heisst das korrekte Auslesen des Druckwertes über längere Zeit. Kapazitive Drucksensoren sind tendenziell teurer in der Herstellung als resistive Bauweisen.
Piezoelektrische Sensoren
Eine weitere Technologie, die für Druckmessungen verwendet werden kann, ist die Piezoelektrizität. Piezoelektrische Sensoren sollten nicht mit Piezo-resistiven Sensoren verwechselt werden. Bei Piezoresistiven Sensoren generiert ein Kristall eine vom auf ihn ausgeübten Druck abhängige Spannung. Diese Spannung fällt aber mit der Zeit bei gleichbleibendem Druck ab. Für statische Druckmessung ist diese Technologie also nicht geeignet. Dafür können dynamische Druckänderungen sehr genau und vor allem auch in sehr hohen Druckbereichen genau gemessen werden. Da die vom Kristall erzeugte Spannung über eine sehr hohe Impedanz verfügt, muss die verstärkende Elektronik sehr bedacht designt werden, da Störsignale die Messung sonst schnell unbrauchbar machen können.
Kalibration und Kompensation
Die einfachste Form eines Sensors ist der unkalibrierte, unkompensierte Sensor. Diese Sensoren geben ein einfaches Signal aus, üblicherweise im Bereich von 20-200 mV. Dieses Signal muss dann für jeden einzelnen Sensor kalibriert und kompensiert werden. Kalibrieren bedeutet in diesem Zusammenhang das Korrigieren des Signals in Bezug auf Offset und Span. Kompensieren bedeutet das Ausgleichen von Temperatureinwirkung.
Sensoren können kompensiert und kalibriert sein, allerdings fehlt dann je nach Anwendung immer noch ein Verstärker. Der Temperatureinfluss kann entweder direkt über einen mitgeschalteten Temperaturabhängigen Widerstand kompensiert werden. Alternativ geschieht dies elektronisch anhand eines separaten Temperatursensors. Die Kalibrierung erfolgt jeweils direkt im Werk. Das Ausgangssignal weist bei einem solchen Sensor jedoch immer noch Störungen auf, so ist beispielsweise die Linearität noch zu korrigieren.
Unterschiede in der Signalausgabe
Die Signalausgabe von Sensoren kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Zum einen muss unterschieden werden zwischen Digitalen und Analogen Ausgangssignalen. Bei digitalen Signalen haben sich einige Standards wie z. B. I²C oder SPI durchgesetzt.
Wenn auf zusätzliche Elektronik verzichtet wird, kann das Ausgangssignal direkt proportional der Eingangsspannung entsprechen, was normalerweise im Bereich von einigen hundert mV liegt. Das ist in der Herstellung und im Energieverbrauch günstiger, macht das Ausgangssignal aber zusätzlich von Spannungsschwankungen in der Einspeisung abhängig. Es werden für den Betriebe solcher Sensoren deshalb regulierte Spannungsquellen benötigt.
Wird das Ausgangssignal in einem Standardspannungsbereich wie z. B. 0-5 V ausgegeben, muss das über eine interne Elektronik reguliert werden, was solche Sensoren von Spannungsschwankungen der Stromversorgung unabhängig macht.
Über eine weitere Schaltung kann das Spannungssignal dann auch noch in ein Stromsignal umgewandelt werden. Dies ist vor allem bei Drucktransmittern üblich, da ein Stromsignal weniger Störungsanfällig ist.
Druckarten
Drucksensoren unterscheiden sich in der Eigenschaft, relativ zu welchem Druck gemessen wird. Zum einen kann Druck gegenüber dem Vakuum gemessen werden. Bei solchen sogenannten Absolutdrucksensoren wird in der Kammer hinter der Membran ein Vakuum erzeugt und diese dann, meist mit Hilfe von anodischem Bonding, verschlossen. Das führt zu einem möglichst dauerhaften Vakuum, wodurch ein zu starker Langzeitdrift vermieden wird. Absolutdrucksensoren werden vorwiegend zum Messen des Luftdrucks in Baro- und Altimetern.
In gewissen Anwendungen ist ein Vakuum als Referenz jedoch gar nicht nötig oder sogar unerwünscht. Häufig reicht es, den Druck relativ zum Umgebungsdruck zu messen. Im englischen werden solche Sensoren „Gauge pressure sensor“ genannt. In gewissen Situationen ist hingegen die Druckdifferenz zwischen zwei Systemen von Interesse. In solchen Fällen kommen differenzialdruck Sensoren zum Einsatz.
Druckmesszellen
Druckmesszellen können unterschiedlich aufgebaut sein. Im Prinzip handelt es sich aber um einen Drucksensor, der in einem kleinen, zylindrischen Gehäuse verbaut ist. Dies vereinfacht je nach Anwendung den Design-In Prozess.
Der Markt von Druckmesszellen wird von zwei Bauarten dominiert: die ölgefüllten Zellen und Keramikzellen. Bei ölgefüllten Druckmesszellen wird ein Drucksensor in einem Stahlzylinder verbaut, dessen eine Stirnseite über eine, klassischerweise aus Edelstahl gefertigte, Membran verfügt. Bei Keramik Druckmesszellen besteht häufig das ganze Gehäuse aus Keramik. Keramikzellen bieten eine hohe Resistenz gegen aggressive Medien. Ölgefüllte Messzellen haben beispielsweise bei wechselnden Umgebungs- und Mediumstemperaturen den Vorteil, dass die Temperatur in der Messzellen sehr homogen ist. Dies führt zu weniger starken Messfehlern bei starken Temperaturschwankungen.
Bei den Ausgangssignalen von Messzellen ist die gesamte Palette verfügbar, von unverstärkt und unkompensiert bis zum digitalen Ausgangssignal.
Drucktransmitter und Transducer
Je nach Anwendung macht es Sinn, den Sensor in einem standardisierten Gehäuse zu verbauen, bevor er weiterverwendet wird. In Transmittern/Transducern sind Sensoren oder eine Messzellen verbaut, die bereits kalibriert und kompensiert wurden. Das Ausgangssignal wird aufbereitet und standardisiert ausgegeben. Die Begriffe «Transmitter» und «Transducer» werden in der Industrie weitgehend synonym verwendet. Ursprünglich unterscheiden sich die Begriffe am Signalausgang: Der Transmitter gibt ein Stromsignal aus, der Transducer gibt eine Spannungssignal aus. Das Stromsignal eines Transmitters ist in den allermeisten Fällen 4-20mA. Bei den Transducern gibt es deutlich mehr Varianten. So kann der Ausgang z. B. 0-5V, 0.5-4.5 oder 0-10V sein. Meistens ist dieses Signal vom Transducer reguliert, es kann aber auch relativ bzw. ratiometrisch zur Speisungsspannung sein. Der Vorteil des Stromausgangs liegt in der geringen Störungsanfälligkeit. Die Spannung eines Spannungsausgangs fällt je nach Widerstand und Länge der Signalleitung unterschiedlich stark ab, was zu Messfehlern führen kann. Ein Transmitter hat dafür gegenüber einem Transducer einen eher höheren Energieverbrauch.
Es gibt auch Transmitter / Transducer mit digitalem Signalausgang, weshalb die Begriffe zusätzlich vermischt wurden. Die digitalen Signale reichen dabei von simplen Protokollen wie I2C oder SPI bis zu Industriestandards wie z. B. IO-Link.
Die Vorteile von Transmittern und Transducern gegenüber bestückbaren Drucksensoren oder Messzellen ist vor allem der reduzierte Entwicklungsaufwand. Ein Transmitter ist nach einem Ausfall auch deutlich einfacher austauschbar.
Messgenauigkeit und andere Spezifikationen
Die Genauigkeit (accuracy), die in einem Datenblatt angegeben wird, teilt sich normalerweise in folgende drei Komponenten auf: Widerholbarkeit, Linearität (bzw. Nicht-linearität) und Hysterese.
Ein Begriff, der im Zusammenhang mit Widerholbarkeit häufig zu finden ist, ist Präzision (precision). Die Präzision ist mit der Widerholbarkeit vergleichbar. Allerdings bezieht sich die Präzision im Normalfall auf längere Zeiträume. Widerholbarkeit bezieht sich in Bezug auf Sensorik auf Messungen innerhalb einiger Stunden. Die Präzision wird bei Sensoren eher nicht spezifiziert, würde aber vom Prinzip her die "Wiederholbarkeit über mehrere Monate, inklusive Langzeitdrift" beschreiben.
Die Linearität muss ebenfalls untersucht werden. Die Linearität beschreibt, wie eng die Messkurve über den gesamten Messbereich mit einer Gerade korreliert.
Bei der Entwicklung eines Sensors wird ein möglichst lineares Verhältnis zwischen Messgrösse und Output angestrebt. Die Spezifikation Linearität beschreibt dann die maximale Abweichung der Messung von einer idealen Geraden in % des gesamten Messbereiches.
Zuletzt ist die Hysterese zu beachten. Sie beschreibt die Differenz am Ausgangssignal, wenn derselbe Druck gemessen wird, dieser allerdings einmal von oben und einmal von unten angefahren wird. Derselbe Effekt kann auch in Bezug auf die Temperatur beobachtet werden, er nennt sich in diesem Fall Temperaturhysterese. In die Spezifikation Genauigkeit fliesst die Temperaturhysterese aber nicht.
Ein beliebiger Messwert sollte also unter Einbezug von Widerholbarkeit, Linearität und Hysterese innerhalb der spezifizierten Genauigkeit liegen. Wichtig ist zu beachten, dass die Genauigkeit in % Full Scale angegeben wird. Der Prozentwert bezieht sich also auf den gesamten Messbereich. Das heisst, dass die maximale Abweichung im gesamten Messbereich "absolut" konstant ist. Der Fehler relativ zum Messbereich hingegen ist im unteren Messbereich erheblich grösser. Es lohnt sich darum, einen Sensor nur auf den benötigten Messbereich zu konfigurieren, da er sonst im unteren Messbereich sehr ungenau wird.
Eine weitere Angabe, zum Teil auf Datenblättern zu finden ist, ist das "Total Error Band" (TER). Das TER beschreibt das Worst-case-Szenario unter Einbezug von Genauigkeit und sämtlichen temperaturabhängigen Einflüssen.
Bei variierender Temperatur können sich sowohl Nullpunkt als auch Span verschieben. Zusätzlich spielt die bereits erwähnte Temperaturhysterese hier eine Rolle.
Wenn bekannt ist, dass der Sensor nur in einem engen Temperaturfenster eingesetzt wird, reicht unter Umständen die "Genauigkeit" als Referenz aus. In vielen Fällen variiert die Temperatur allerdings, weshalb dann das TER massgebend sein sollte.
Eine vereinfachende Gerade kann auf unterschiedliche Weise über die tatsächliche Kurve gelegt werden. Die Gerade kann durch die kalibrierten Endpunkte der Kurve gezogen werden. Damit befindet sich die Abweichung in den meisten Fällen komplett im positiven bzw. negativen Bereich.
In der Summe am wenigsten Abweichung bietet die Methode der kleinsten Quadrate.
Eine Zwischenlösung ist die Methode, die Gerade jeweils bei 10% und 90% des Spans zu fixieren. Damit verteilt sich die Abweichung in vielen Fällen deutlich gleichmässiger als bei erstgenannter Methode, ohne übermässigen Aufwand bei der Kalibrierung.
Wird der Sensor hingegen meist im Bereich der Raumtemperatur verwendet, kann es auch Sinn machen, die Linie durch die reale 25°C Marke zu ziehen. Damit ist die Abweichung über den gesamten Temperaturbereich zwar unter Umständen grösser, im für diese Anwendung relevantesten Bereich jedoch deutlich genauer.
Typisch vs. Maximal
Bei Angaben im Zusammenhang mit Genauigkeit muss zwischen typischen und maximalen Werten unterschieden werden.
Streng genommen bezeichnet der maximale Fehler die drei-σ Abweichung der Normalverteilung aller Sensoren. Das heisst, 99.7% der Sensoren erfüllen diese Limite. Der typische Fehler beschreibt die einfache-σ Abweichung, es erfüllen also nur 68.2% der Sensoren die Limite.
Im allgemeinen Umgang hingegen kann der maximale Fehler weitgehend als Garantie verstanden werden, die ein Sensor erfüllen muss. Beim typischen Fehler ist die Sache weniger klar. Zum Teil wird die Durchschnittsgenauigkeit einer genügend grossen Stichprobe als typischer Fehler deklariert. Nicht immer ist direkt ersichtlich, ob es sich bei Genauigkeitsangaben um typische oder maximale Werte handelt. Im Zweifelsfall sollten solche Fragen unbedingt mit dem Lieferanten oder Händler geklärt werden.
Auflösung
Die Auflösung (Resolution) ist ein Begriff, der keinesfalls mit der Genauigkeit verwechselt werden sollte. Die Auflösung kann sich bei einem Sensor auf zwei unterschiedliche Werte beziehen. Bei einem verstärkten Sensor mit analogem Ausgang bezieht sich die Auflösung auf den Analog-Digital-Converter (ADC). Dieser nimmt das analoge Signal der Sensormembran auf, kompensiert es anhand von gespeicherten Werten und gibt dann ein Quasi-analoges Signal aus. Quasi-Analog deshalb, weil das Signal als "Treppe" ausgegeben wird (siehe Abb. XX). Die Auflösung beschreibt nun, wie hoch diese Treppenstufen sind. Sie wird in Bit angegeben.
Wichtig ist, dass die Auflösung in allen Fällen keine direkte Aussage auf die Genauigkeit zu lässt. Die Auflösung muss mindestens so hoch sein wie die Genauigkeit. Eine höhere Auflösung steigert aber nicht die Genauigkeit. Ein kleines Rechenbeispiel:
Der Sensor habe einen Messbereich von 0-2 Bar, ein TER von 1.5% und eine ADC Auflösung von 16-Bit. Der Ausgang sei analog mit 4-20mA.
Die Auflösung hat also 16Bit = 65'535 Schritte. Auf den Ausgang übersetzt heisst das, dass die kleinste Stufe (20mA - 4mA) / 65535 = 0.000244mA = 0.244uA. Nun könnte die Schlussfolgerung sein, dass das Signal also auf 0.000244mA / (20mA - 4mA) * 100 = 0.001525% genau ist. Es zeigt sich allerdings, dass die Genauigkeit von 1.5% einen Strombereich von (20mA - 4mA) * 1.5% = 0.24mA. Die Genauigkeit kann also in diesem Beispiel um beinahe 1000 Schritte der Auflösung abweichen.
Für die weitere Signalverarbeitung ist die Auflösung durchaus von Bedeutung, insbesondere bei Sensoren mit einem digitalen Ausgang. Sie muss aber unabhängig von der Genauigkeit behandelt werden.
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Glossar
- Offset: Abweichung des Ausgangssignals von der Realität bei minimalem Druck
- Full Scale (FS): Ausgangssignal bei höchstem Messdruck
- Span: Differenz des Drucks zwischen minimalem und maximalem Ausgangssignal. (Ist ein Sensor konfiguriert auf 2.5 bar => Output 0V, 4.0 bar => Output so beträgt der Span 4.0 - 2.5 = 1.5 bar)
- Wiederholbarkeit (repeatability): Abweichung mehrerer Messungen unter denselben Bedingungen, in kurzen Zeitabständen
- Stabilität (stability): Abweichung während einer länger andauernden Messung bei konstanten Bedingungen
- Drift: Veränderung eines Wertes des Sensors über lange (Monate/Jahre) Zeiträume, z. B. Offsetdrift
- Hysterese: Differenz einzelner Messungen desselben Zustandes, während besagte Zustand auf unterschiedliche Weise erreicht wurde. (Druck oder Temperatur wird von oben bzw. unten angefahren)
- Berstdruck (burst pressure): Druck, ab dem der Sensor schaden nimmt
- Genauigkeit (accuracy): Genauigkeit unter Berücksichtigung aller Abweichungen bei Raumtemperatur
- Total Error Band: Genauigkeit unter Berücksichtigung aller Abweichungen
- Full Scale/Span Output (FSO): Differenz zwischen maximalem und minimalem Ausgangssignal
- Wheatstone-Brücke: Eine Messeinrichtung, die oftmals verwendet wird, um Widerstände oder Widerstandsänderungen zu messen.