Was ist ein Drucksensor?
Ein Drucksensor (englisch: pressure sensor) ist ein Gerät, das den Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit misst.
Das Messelement wandelt die durch den Druck verursachten Veränderungen in ein elektrisches Signal um und gibt den Druck aus. Typische Messteile sind vom Typ Manometer.
In Drucksensoren vom Manometer-Typ werden Halbleitermessstreifen, Dehnungsmessstreifen und dünne Metallfilme verwendet. Einige Typen können auf atmosphärischen Druck, Absolutdruck oder einen beliebigen Standard für den Druck zum Zeitpunkt der Messung eingestellt werden.
Anwendungen von Drucksensoren
Drucksensoren werden in vielen industriellen Prozessen zur Messung des Drucks in Leitungen und Geräten eingesetzt.
Bei der Auswahl des geeigneten Drucksensors müssen der Druckbereich, die Art des zu verwendenden Gases oder der Flüssigkeit, die Temperatur, bei der er eingesetzt werden soll, die Haltbarkeit und andere Faktoren berücksichtigt werden.
Drucksensoren werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, unter anderem:
- Messung des Drucks von Flüssigkeiten in Flüssigkeitsabfüllanlagen
- Messung des Drucks von Flüssigkeiten und Gasen, die in Rohrleitungen in Anlagen fließen
- Druckmessung zur Druckkontrolle in Anlagen, in denen Stoffe mit hoher Druckempfindlichkeit verwendet werden
- Anwendung in Drucksensoren-Matten
- Anwendungen in Automobilen, Industriemaschinen, Luft- und Raumfahrt, Medizin, etc.
Funktionsweise der Drucksensoren
Drucksensoren vom Typ Manometer messen den Druck, indem sie die Verformung der Membrane feststellen. Es gibt verschiedene Arten von Erkennungsmethoden, wie z. B. den Drucksensor mit Halbleiter-Typ, den Dehnungsmessstreifen-Typ und den Dünnschicht-Typ.
Wenn die Membran durch Druck verformt wird, ändert sich der elektrische Widerstand. Die vier Messwiderstände sind in einer Brückenschaltung zusammengefasst, und die Widerstandsänderung wird als Spannung ausgegeben.
1. Drucksensor mit Halbleiter
Drucksensoren mit Halbleiter verwenden einen Halbleiter selbst als Membran und messen den Druck mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts, dessen Eigenschaft darin besteht, dass sich der elektrische Widerstand des Halbleiters ändert, wenn er einem Druck ausgesetzt ist. Die Widerstandsänderung bei Druck ist viel größer als bei anderen Methoden, und die Geräte zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer aus, da eine robuste Membran hergestellt werden kann.
2. Drucksensoren mit Dehnungsmessstreifen
Bei Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren werden Dehnungsmessstreifen auf der Rückseite der Membran angebracht und die Änderung des Dehnungswiderstands gemessen. Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die die Dehnung messen, indem sie die Eigenschaft von Metallen nutzen, dass sich ihr elektrischer Widerstand ändert, wenn sie verformt werden, und indem sie die Dehnung dem Druck zuordnen, kann der Druck ausgegeben werden.
3. Dünnschicht-Drucksensoren
Dünnschicht-Drucksensoren bilden eine Metalldünnschicht auf einer Membran und messen den Druck durch Messung der Änderung des elektrischen Widerstands der verformten Metalldünnschicht aufgrund des Drucks. Sie zeichnen sich durch eine höhere Empfindlichkeit aus und können bei höheren Temperaturen eingesetzt werden als Dehnungsmessstreifen-Sensoren.
4. Andere Drucksensoren als Manometer-Drucksensoren
Neben den Manometer-Drucksensoren gibt es noch andere Arten von Drucksensoren wie kapazitive, faseroptische und Vibrations-Drucksensoren.
Der kapazitive Typ erfasst die Kapazität zwischen einer festen Elektrode und einer Membranelektrode. Die Verschiebung der Membran, die sich als Reaktion auf Druckänderungen verformt, wird als Kapazitätsänderung gemessen und in Druck umgewandelt. Geeignet für die Messung des Drucks mehrerer Gasarten oder Gasgemische.
Der faseroptische Typ verformt das Beugungsgitter am Ende der optischen Faser, wenn Druck auf die Membran ausgeübt wird, und misst die Änderung der Wellenlänge des reflektierten Lichts. Es können hochpräzise Messungen bei hohen Temperaturen vorgenommen werden, die zur Messung des Drucks von geschmolzenem Harz und des Blutdrucks im Körper verwendet werden.
Beim Vibrationstyp befindet sich der Messwertaufnehmer auf einem Siliziummembran-Chip. Wenn die Membran durch Druck verformt wird, ändert sich die Eigenfrequenz des Messwertaufnehmers. Die Frequenzänderung wird erkannt und in Druck umgewandelt. Zu den Merkmalen gehören hohe Genauigkeit, hohe Empfindlichkeit und hohe Auflösung.
Anwendungen von Drucksensoren
1. Drucksensormatte
Ein Beispiel für eine Drucksensor-Anwendung ist die Drucksensormatte. Drucksensormatten sind für die Verlegung auf dem Boden usw. vorgesehen und haben im Allgemeinen die Form einer dünnen Matte.
Mögliche Anwendungen für Drucksensormatten sind z. B. die Erkennung des Zugangs zu einem Hochsicherheitsraum oder zu einem gefährlichen Bereich in einer Fabrik. Tritt ein Benutzer auf die Drucksensormatte, kann auf der Grundlage der vom Drucksensor erfassten Informationen ein Signalton ertönen oder eine Lampe eingeschaltet werden.
Drucksensormatten können auch in Räumen der Einrichtung oder am Hauseingang installiert werden, damit Menschen mit Demenz wissen, wann sie das Gebäude verlassen müssen.
2. Drucksensoren für Kraftfahrzeuge
Drucksensoren für Kraftfahrzeuge werden als Sensoren zur präzisen Messung des Drucks von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt, um z. B. die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Drucksensoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind häufig Drucksensoren mit Halbleiter mit Piezowiderständen, da sie kompakt sind, hochpräzise Messungen durchführen können und in rauen Betriebsumgebungen eingesetzt werden.
Drucksensoren in Kraftfahrzeugen müssen bei Betriebstemperaturen von -30 °C bis 150 °C und, je nach Einsatzort, bis zu Temperaturen von über 300 °C langfristig zuverlässig und genau arbeiten. Da Dieselmotoren Kraftstoff-Luft-Gemische bei sehr hohen Drücken verdichten müssen, müssen Drucksensoren zudem in der Lage sein, Drücke von bis zu 200 MPa genau zu messen.