Druckmesstechnik Bidirektionale Differenzdrücke im Lego-Format messen

Vielen Anwendern ist nicht bekannt, dass man unter dem Begriff Differenzdruckmessung unterschiedliche Sachverhalte versteht. Ein piezoresistiver Drucksensor im Lego-Format zeigt die anwendungsrelevanten Unterschiede auf.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Maxon Motor GmbH

compmall GmbH

AMSYS GmbH & Co. KG

In der Druckmesstechnik unterscheidet man anhand des zu messenden Drucks zwischen verschiedenen Messmethoden. Dazu gehören die Absolutdruck-, Relativdruck- und Differenzdruckmessung. Dass man speziell unter dem Begriff Differenzdruckmessung unterschiedliche Sachverhalte versteht, ist vielen Anwendern nicht bekannt. Bei der Differenzmessung werden beispielsweise mit einer Siliziummesszelle (Abbildung 1) zwei Drücke P₁ und P₂ verglichen, die von außen über das entsprechende Gehäuse an der Unter- und Oberseite einer dünnen Siliziummembran anliegen. Allgemein gilt: P₁ ≤ P₂ oder umgekehrt P₁ ≥ P₂. Bei den meisten Sensoren gilt die Forderung, dass nur ein Druckverhältnis, also P₁/P₂ ≥1 oder P₁/P₂ ≤ 1 erfasst und ausgewertet werden kann. Im Allgemeinen wird die Druckmessung mit dieser Einschränkung als Differenzdruckmessung bezeichnet. Es gibt aber auch den Fall P₁ = P₂. Dabei wird die Membran nicht deformiert und der Sensor erzeugt bei beiderseitig gleichem Druck im Idealfall ein Ausgangssignal = 0 oder V_{out min}. Im dem Fall P₁ > P₂ biegt sich die Silizium-Membran bei Druckbeaufschlagung in die Richtung des niedrigeren Druckes und erzeugt in den piezoresitiven Brückenwiderständen (Wheatstonesche Brückenschaltung) das Druck proportionale Ausgangssignal V_out = f(P₁-P₂).

Am Ausgang des verstärkten Sensors, beispielsweise des Drucktransmitters AMS 4711 von Amsys im Lego-Format, ergibt sich nach der Kalibrierung bei der Differenzmessung ein Ausgangssignal von 0-5 V. Zusätzlich zur Frage, ob P₁/P₂ ≥1 oder P₁/P₂ ≤ 1 erfasst werden soll, gilt für die Drucksensoren, deren Membran auf den jeweiligen Druckbereich optimiert ist, zusätzlich die Randbedingung P₁-P₂ ≤ P_max oder P₂-P₁ ≤ P_max, wobei P_max durch technologisch / physikalischen Gegebenheiten begrenzt wird. Diese Randbedingungen gilt es zu berücksichtigen, wenn der Anwender seine Druckanschlüsse an den differentiellen Sensor anschließt und den Differenzdruck z.B. bei einer Filterüberwachung messen möchte.

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Bidirektional differentielle Sensoren

Über die beschriebene Differenzmessung hinaus gibt es Anwendungen, bei denen die beiden Bedingungen P₁ ≤ P₂ als auch P₁ ≥ P₂ gleichzeitig gefordert sind – z.B. Be- und Entlüften, Unter- und/oder Überschreiten eines Flüssigkeitsniveaus, Ein- und Ausatmen, Saugheber usw. Da es für diesen Fall der Differenzdruckmessung keine allgemein anerkannte Bezeichnung gibt, nennt Amsys und einige weitere Anbieter die Sensoren, die diese Art von Differenzdruck messen können, bidirektional differentielle Drucksensoren. Sie haben also die Eigenschaft, Unter- und Überdruck messen zu können und es gilt: P₁/P₂ ≥1 und P₁/P₂ ≤ 1.Bei Unter- und Überdruck wird die Membran in zwei Richtungen ausgelenkt. Die Richtungsumkehrung der Membranauslenkung bewirkt einen Vorzeichenwechsel im Ausgangssignal der Messzelle. Der zu messende Differenzdruck kann bei den Messzellen dieser Sensoren sowohl ein positives als auch ein negatives Vorzeichen haben; d.h., der Druck P₁ an dem Anschlussstutzen der Messzellenoberseite kann sowohl größer als auch kleiner sein als der Druck P₂ am Anschlussstutzen der Messzellenunterseite und umgekehrt. Für die Drücke P₁, P₂ an den Anschlussstutzen gilt die Bedingung: P_min ≤ Betrag (P₁ - P₂) ≤ P_max. In der Formel bezeichnet P_max den maximalen positiven und P_min den minimalen negativen Enddruck des jeweiligen Druckbereiches, für den die Sensoren ausgelegt sind. Bidirektional differentielle Messungen sind nur dann möglich, wenn zwei Anforderungen an den Sensor erfüllt werden.

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