Was ist ein Druckaufnehmer?

Definition von Druck als Messgröße: Druck ist definiert als die durch eine Flüssigkeit oder ein Gas auf eine Oberfläche aufgebrachte Kraft und wird üblicherweise in Krafteinheiten pro Oberflächeneinheit gemessen. Übliche Einheiten sind Pascal (Pa), Bar (bar), N/mm2 oder psi (pounds per square inch).
Definition von Sensor: Ein Sensor misst eine physikalische Größe und wandelt diese in ein Signal um. Die Messgröße kann beispielsweise Temperatur, Länge, Kraft oder – natürlich – Druck sein. In den meisten Fällen handelt es sich um ein elektrisches Signal, es kann jedoch auch ein optisches sein.
Definition Druckaufnehmer: Ein Druckaufnehmer ist also ein Instrument, das aus einem druckempfindlichen Element zur Bestimmung des tatsächlich auf den Sensor wirkenden Drucks (unter Verwendung verschiedener Funktionsprinzipien) und einigen Komponenten besteht, die diese Information in ein Ausgangssignal wandeln.

Funktionsprinzipien von Druckaufnehmern

Es gibt verschiedene Technologien, die bei Druckaufnehmern eingesetzt werden, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Im Folgenden werden einige davon betrachtet.

Dehnungsmessstreifenbasierte Druckaufnehmer nutzen ein druckempfindliches Element mit aufgeklebten metallischen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder aufgespritzten Dünnschicht-DMS. Dieses Messelement kann entweder eine Membran sein oder bei metallischen DMS können auch zylinderförmige Messkörper verwendet werden. Die Hauptvorteile dieses monolithischen, zylindrischen Aufbaus liegen in einer höheren Steifigkeit und der Fähigkeit, höchste Drücke von bis zu 15.000 bar zu messen. Der elektrische Anschluss wird normalerweise über eine Wheatstonesche Brückenschaltung hergestellt und ermöglicht eine gute Signalverstärkung und genaue und gleichförmige Messergebnisse.
Kapazitive Druckaufnehmer nutzen einen Hohlraum für den Druck und eine Membran, um einen variablen Kondensator zu erhalten. Bei Druckbeaufschlagung verformt sich die Membran und die Kapazität verändert sich entsprechend. Diese Kapazitätsänderung kann elektrisch gemessen und dann in Beziehung zur Druckbeaufschlagung gesetzt werden. Diese Sensoren sind begrenzt auf niedrige Drücke von ungefähr 40 bar.
Piezoresistive Druckaufnehmer bestehen aus einer Membran – meistens aus Silikon – mit integrierten Dehnungsmessstreifen (DMS), die eine durch Druckbeaufschlagung entstehende Dehnung messen. Diese DMS sind üblicherweise in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet, um die Empfindlichkeit zu reduzieren und das Ausgangssignal zu erhöhen. Aufgrund der verwendeten Werkstoffe ist der Druck auf circa 1.000 bar begrenzt.
Im Unterschied zu den vorher genannten Technologien – die alle die Durchbiegung eines Messkörpers nutzen – verwenden Resonanz-Druckaufnehmer die Veränderungen der Resonanzfrequenz in einem Messelement, um durch Druckbeaufschlagung verursachte mechanische Spannung zu messen. Abhängig von der Bauart dieser Sensoren kann das Resonanzelement in Kontakt mit dem Medium kommen, wobei die Resonanzfrequenz dann abhängig von der Dichte des Mediums ist. Manchmal sind diese Sensoren auch empfindlich gegenüber Stößen oder Schwingung.

Andere Druckaufnehmer, die ebenfalls keinen Messkörper verwenden, können Thermo- oder Ionisationssensoren sein, die durch Dichteänderungen des Stroms geladener Teilchen verursachte Änderungen der Wärmeleitfähigkeit nutzen, um die Druckbeaufschlagung zu messen.

Arten von Druckmessungen

Es gibt eine Vielzahl von Eigenschaften für die Klassifizierung von Druckaufnehmern. Dazu gehören der Druckbereich, in dem sie messen, die Gebrauchstemperaturbereiche oder die Druckarten. Verschiedene Druckarten sind beispielsweise Absolutdruck, Überdruck, Relativdruck (sealed gauge) und Differenzdruck.

Absolutdruckaufnehmer messen den Druck relativ zu einer Referenzkammer (nahezu Vakuum). Ein Überdruckaufnehmer – oder Relativdruckaufnehmer – misst den Druck relativ zum aktuell vorherrschenden Atmosphärendruck.
Relativdruckaufnehmer (sealed gauge) funktionieren wie Überdruckaufnehmer, messen jedoch den Druck relativ zu einem festen Druck anstatt zum vorherrschenden Atmosphärendruck.
Differenzdruckaufnehmer werden eingesetzt, um eine Druckdifferenz zu messen, also zum Messen von Druckabfällen, Füllständen und Durchflussraten.

Der auf der Hand liegende Vorteil eines Absolutdruckaufnehmers ist, dass immer relativ zu demselben Referenzdruck (Vakuum) gemessen wird und daher Änderungen des Atmosphärendrucks keinen und Temperaturänderungen nur einen geringen Einfluss haben.

Druckaufnehmer von HBM

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