Theorie Drucksensorik

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.

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.

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.

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. 

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.

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: