Druckmesstechnik Bidirektionale Differenzdrücke im Lego-Format messen

Redakteur: Sariana Kunze

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.

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

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.

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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: 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.

Die Membranstruktur muss ein symmetrisches Verhalten bezüglich der Auslenkung nach beiden Seiten aufweisen: Bei der Membran eines piezoresitiven Sensors handelt es sich um eine dünne Schicht (einige Mikrometer), die aus verschiedenen Halbleiterebenen besteht. In der Regel sind das neben der eigentlichen Siliziumschicht eine Oxid- und eine Passivierungsschicht, die sich beide nur auf der Membran- oberseite befinden. Der Schichtaufbau ist also nicht symmetrisch. Auf Grund dieses asymmetrischen Schichtaufbaus kann das Verhalten der Membran bei Druckauslenkung richtungsabhängig sein. Im schlimmsten Fall kann es bei Richtungsumkehr sogar zu einem Knackfroscheffekt kommen. Das heißt, dass die Membran bei Richtungsumkehr ihrer Auslenkung eine Unstetigkeit aufweist, die sich für den Benutzer besonders in dem Druckbereich um den Nullpunkt in einer starken Nichtlinearität bemerkbar macht.

Die Nachweiselektronik muss in ihrem Übertragungsverhalten bezüglich des Nullpunktes an den Verstärkungsbereich angepasst sein: Die Übertragung der Kennlinie bedingt eine Verstärkerelektronik, in der die Referenz des Instrumentenverstärkers nicht auf Nullpotential bezogen ist, sondern auf den halben Full-Scale-Wert gelegt werden muss. Z.B. wird bei dem AMS 4711, der 0…5 V als Ausgangssignal hat, bei der bidirektionalen Version der Nullpunkt auf 2,5 V gelegt, so dass sich das Signal bei P1 ≤ P2 von 0 bis 2,5 V und das Signal bei P1≥ P2 von 2,5 bis 5 V erstreckt.

Mini-Drucksensor ist hochgenau und einbaufertig

Die Hersteller der Siliziummesszellen, die zur bidirektionalen Differenzdruckmessung benutzt werden sollen, müssen also ein möglichst symmetrisches Verhalten der Membran bei positiver und negativer Auslenkung gewährleisten. Eine Sonderform der bidirektionalen Differenzdrucksensoren sind die asymmetrischen Differenzdrucksensoren. Bei ihnen sind die Beträge des Unter- und des Oberdruckes nicht gleich und es gilt: Betrag (P1) ≠ Betrag (P2). Wenn z.B. der Unterdruck nicht gleich dem Überdruck ist, wird mit dieser Version der Übertragungsbereich besser genutzt als bei einem symmetrischen Sensor.
Die miniaturisierten Drucktransmitter der Serie AMS 4711 sind einbaufertige, hochgenaue Drucksensoren mit einer 0…5 V oder - 2,5...2,5 V Ausgangsspannung. Die Sensoren sind individuell kalibriert, linearisiert und im Temperaturbereich von -25…85 °C kompensiert. Der Versorgungsspannungsbereich erstreckt sich von 7 bis 36 V. Die AMS 4711 haben bei der differentiellen Version zwei seitliche Schlauchanschlussstutzen (Ø=4,8 mm). Der elektrische Anschluss erfolgt über eine Sensor-Steckverbindung M5.

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Die Transmitter entsprechen zudem den Schutzartanforderungen IP67 und sind für die Außenmontage geeignet. Die Montage erfolgt mit zwei Schrauben (M3), die durch die beiden gegenüberliegenden Ecklöchern im Gehäuse verschraubt werden können. Die Sensoren sind in den Druckbereichen von 0-5 mbar bis 0-350 mbar für differentielle / relative sowie in den Bereichen 0-1 bar und 0-2 bar für absolute oder differentielle / relative Messungen erhältlich. Außerdem wird eine bidirektional differentielle Version in den Bereichen ±5, ±10, ±20, ±50 und ±100 mbar angeboten. Letztlich kann mit der Variante im Bereich von 700–1.200 mbar der barometrische Druck gemessen werden.

Der Drucktransmitter im Lego-Format AMS 4711 hat für die Relativ- und Differenzdruck-Varianten standardmäßige Rückseitenbeaufschlagung und eignet sich damit für die Druckmessung bei einseitiger Medienbeaufschlagung in Flüssigkeiten und reaktiven Gasen. Der Drucktransmitter hat ein Auflösevermögen von 11 bit. Unter Berücksichtigung des LSB ergibt sich für den AMS 4711-0005-D (5 mbar-Version) eine Auflösung von 0,001 mbar.

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