Druckmesstechnik

Bidirektionale Differenzdrücke im Lego-Format messen

| Redakteur: Sariana Kunze

Überdruck- und Unterdruckmessung mit einem Drucktransmitter im Lego-Format.
Überdruck- und Unterdruckmessung mit einem Drucktransmitter im Lego-Format. (Bild: Amsys)

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.

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 Vout 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 Vout = 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 ≤ Pmax oder P2-P1 ≤ Pmax, wobei Pmax 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.

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: Pmin ≤ Betrag (P1 - P2) ≤ Pmax. In der Formel bezeichnet Pmax den maximalen positiven und Pmin 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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