Drucksensoren

Drucksensoren
Benedikt Schmidt [email protected]
1.
EINLEITUNG
Sensoren (vom lat. sensire” zu deutsch fühlen”) sind
”
”
Geräte, die in der Lage sind physikalische oder chemische
Eigenschaften zu erfassen. Da Menschen nicht in der Lage
sind all diese Eigenschaften (z.B. Druck) genau wahrzunehmen sondern nur in etwa schätzen können, gibt es in Form
von Sensoren Messeinrichtungen, die diese Eigenschaften
in eine einfach ablesbare bzw weiterverarbeitbare Größe
transformieren.
Drucksensoren sind Druckmessgeräte zum Erfassen der physikalischen Größe Druck verwendet werden. Druck verteilt
sich in gasbefüllten Räumen gleichmäßig, daher ist der
Druck an verschiedenen Stellen des Raums immer gleich.
Drucksensoren sind heute in den verschiedensten Bereichen des Lebens anzutreffen. So werden sie unter anderem
in Microfonen, Höhenmessgeräten, Motoren oder auch als
Auslöseschalter für Airbags eingesetzt. Im Rahmen dieser
Ausarbeitung sollen einige der wichtigsten Verfahren der
Druckmessung vorgestellt werden.
2.
2.1
Nullwert verwendet. Solche Sensoren werden als Relativdrucksensoren bezeichnet.
2.3
Wheatstone Messbrücke
Bei einer Wheatstone Messbrücke handelt es sich um
eine Schaltung aus zwei parallelgeschalteten Spannungsteilern, (siehe Abb. 1) die über Spannungsmessgerät eine
Querverbindung besitzen. An den Widerständen wird die
Spannung aufgeteilt. Ist das Verhältnis zwischen den Spannungswiderständen gleich groß, besitzen die Punkte A und
B gleiches Potential und es fließt kein Strom zwischen A
und B. Verändert sich allerdings einer dieser Widerstände
fließt ein Ausgleichsstrom. [2]
GRUNDLAGEN
Druck als physikalische Größe
Im allgemeinen wird Druck P in der Physik als Quotient
der Kraft F und der Fläche A auf die sie einwirkt ,definiert
) . Die Kraft und Fläche sind Vektoren, da beide
(P = F
A
als gerichtete Größen auftreten. Der Druck hingegen ist ein
Skalar und besitzt daher keine Richtung.
2.2
Druckgrößen
Bevor man Druck messen kann muss erst festgelegt werden welcher Druck gemessen werden soll. Man unterscheidet[1, S .185]:
Absoluter Druck.
Als aboluten Druck bezeichnet man den auf einen Referenzdruck bezogenen Druck. Als Referenzdruck verwendete
man den Druck im Vakumum p = 0. Bei absoluten Messungen wird der aktuelle Luftdruck nicht berücksichtigt.
Differenzdruck.
Beim Differenzdruck wird die Druckdifferenz zwichen zwei
Absolutdrücken p1 und p2 gemessen.
Überdruck.
Beim Überdruck wird der Druck gemessen, der sich auf
den herrschenden Umgebungsdruck bezieht und diesen als
Abbildung 1: Wheatestone Schaltung
Die Abgleichbedingung für die Schaltung lautet:
3
= R
R4
R1
R2
3.
MESSGRÖßEN UND MESSBEREICH
Gemäß DIN 1319 zu den Grundlagen der Messtechnik”
”
ist die Messgröße diejenige physikalische Größe, der eine
Messung gilt. Die Einheit des Drucks ist nach ISO 1000
bzw. DIN 1301 definiert als 1 Pascal = 1N/m2 , wobei N
= Newton = 1kg∗m
[3, p. 93,94]. Eine weiter Si konfors2
me Einheit ist Bar. Die Einheit Bar wird in der Regel für
höhere Drücke verwendet und entspricht 100.000 Pa. Abgesehen von diesen beiden Einheiten gibt es noch weitere, die aber nicht Si konform sind. Zu nennen wären hier
z.B. psi oder Torr. Auch wenn diese nicht Si konform sind
werden sie immer noch verwendet. So wird Druck in Körperflüssigkeiten (z.B. Blutdruck) heute immer noch in der
Einheit mmHg (das Einheiten Zeichen von Torr) gemessen.
Ein Torr entspricht dem Druck der von einer 1 mm hohen
Quecksilbersäule erzeugt wird.
4.
DRUCKMESSUNG
Es gibt verschiedene Verfahren um Druck zu erfassen.
Im folgenden sollen einige Sensoren mit unterschiedlichen
Messeffekten vorgestellt werden.
4.1
4.1.1
Mechanische Messung
Erdbeschleunigung g. Da alle Variablen bis auf p1 bekannt
sind, kann der Druck durch Umformung der Gleichung berechnet werden. Solche Druckmessgeräte werden heute nur
noch selten verwendet, da die verwendeten Sperrflüssigkeiten entweder giftig sind (Quecksilber) oder schnell verdunsten (Alkohol). Ein weiteres Problem besteht darin, dass
Flüssigkeitsmanometer für hohe Drücke schnell sehr groß
werden. Ein Flüssigkeitsmanometer für 1 bar Druck mit
Wasser als Sperrflüssigkeit wäre über zehn Meter hoch. [5,
S. 43 ff]
Rohrfeder-Manometer
Das Messwerk eines Rohrfeder-Manometers (siehe Abb.
2) besteht in der Regel aus einer einseitig eingespannten
Bourdon Feder. Wird der Messdruck in das Rohr eingeleitet, verformt sich die Feder. Hierbei wird die Bewegung
der Feder durch ein mechanisches Hebelwerk auf ein Zeigerwerk übertragen. Rohrfeder-Manometer sind, je nach
verwendetem Feder-Material in verschiedenen Druckbereichen (bis zu 10000 bar) einsetzbar und speziell für hohe
Drücke geeignet [4, S. 37]. Allerdings sind sie sehr empfindlich gegen Überlastung, da sich die Feder bei zu hohem Druck dauerhaft verformt und damit reproduzierbares
Messen verhindert. Dies lässt sich leicht feststellen da die
Feder nicht mehr auf den Nullpunkt zurückgeht. RohrfederManometer werden häufig im Heizungsbau verwendet.
Abbildung 3: U-Rohr Manometer
[5, S. 44]
4.2
4.2.1
Abbildung 2: Rohrfeder-Manometer
[4, S. 37]
4.1.2
Flüssigkeitsmanometer
Flüssigkeitsmanometer basieren in der Regel auf dem URohr Prinzip(siehe Abb. 3). Eine Sperrflüssigkeit verhindert, dass die beiden angeschlossenen Drücke sich ausgleichen und dient gleichzeitig dazu den Differenzdruck anzuzeigen. Die Flüssigkeit innerhalb des U-Rohrs verschiebt
sich solange bis gilt:
∆h =
p1 −p2
(ρS −ρF )∗g
mit den Drücken p1 und p2 , der Dichtedifferenz zwischen
Sperrflüssigkeit ρS und dem Strömungsmedium ρF und der
Elektrische Messung
Piezoresistiver Drucksensor
Piezoresistive Sensoren messen Druck unter Ausnutzung
des piezoresistiven Effekts. Unter diesem Effekt versteht
man die Widerstandsänderung eines Materials unter Einwirkung von mechanischer Spannung. Übt man auf ein Element Druck aus, so ändert sich dessen Querschnitt und
Länge. Durch die Veränderung dieser Parameter ändert
sich auch der Widerstand des Elements. Die Verformung
des Elements beschreibt allerdings noch nicht den eigentlichen Piezoeffekt. Unter diesem versteht man, dass die Kristallstruktur so stark beeinflusst wird, dass sich der spezifische Widerstand des Elements verändert. Dieser Effekt
tritt bei allen Elementen auf, ist jedoch nur bei einigen
Halbleitern (Si, Ge) so ausgeprägt, dass der Effekt ausreichend stark für eine Messung ist. Daher bestehen Drucksensoren in der Regel aus Silizium.
Um den Druck zu messen, werden vier Widerstände auf
eine dünne Silizium Membran aufgebracht und zu einer
Wheatstone-Brücke (siehe 2.3) verschaltet. Diese Membran
befindet sich innerhalb einer massiven Basis in der ein fester Vergleichsdruck herrscht. Ändert sich der Druck außerhalb, verformt sich die Membran und es werden je zwei Widerstände gestaucht und zwei gedehnt (siehe Abb. 4). Die
durch den piezoresistiven Effekt auftretende Widerstandsveänderung verhält sich proportional zum Messdruck.
Die Verwendung der Wheatestone Brücke ist entscheidend,
da die eingesetzen Materialien stark temperaturabhängig
sind. Unter Verwendung nur eines Widerstands hätte dies
zur Folge, dass das Messergbniss verfälscht wird. Die Wheatestone Brücke bewirkt nun, dass lediglich die Differenzspannung gemessen wird, die unabhängig von der Tem-
4.2.3
Kapazitiver Drucksensor
Eine weiterer Sensortyp ist der kapazitive Drucksensor.
Diese Art der Druckmessung nutzt die Kapazitätsveränderung von Kondensatorplatten, die bei verändertem Abstand auftritt aus. Kapazität leitet sich aus der Materialkonstanten ε, der elektrischen Feldkonstanten ε0 , der Fläche A des Kondensators und dem Abstand der Platten d
ab.
C = ε0 ∗ ε ∗
Abbildung 4: Piezoresistiver Drucksensor
[6]
peratur gleich bleibt, da der Temperatureinfluss auf alle
Widerstände gleich ist. Es werden jeweils zwei Widerstände am Rand der Membran und zwei in der Mitte plaziert.
[6].
Häufige Einsatzgebiete für solche Sensoren sind z.B. Mikrophone und Höhenmesser.
4.2.2
Ein Kapazitiver Drucksensor besteht aus einer festen Elektrode und einer unter Druck deformierbaren Membran, die
als zweite Elektrode dient. Für die feste Elektrode verwendet man in der Regel eine metallisierte Glasplatte. Die
Membran wird aus einer metallisierten Siliziummembran
realisiert. Bei einer Veränderung des Drucks biegt sich die
Membran durch und die Kapazität ändert sich. Solange die
Membran nicht zu stark durchgebogen wird verhält sich
die Kapazitätsveränderung linear zum Druck. [1] Um die
druckabhängige Kapazität in eine auswerbare Spannung zu
Wandeln wird eine Referenzkapazität Cref verwendet. Für
die Spannung U(p) gilt dann:
Piezoelektrischer Sensor
Piezoelektrische Sensoren arbeiten mit dem piezoelektrischen Efekkt. Der 1880 von Jaque und Pierre Curie entdeckte Effekt beschreibt die Veränderung der elektrischen
Polarisation an Festkörpern, wenn sie sich unter Krafteinwirkung verformen. Die dadurch entstehende Spannung
verhält sich proportional zur Verformung und kann ausgewertet werden. Als Materialien werden häufig Quarze
verwendet, allerdings kommen heute auch hochentwickelte
ferroelektrische Keramiken zum Einsatz.
Piezoelektrische Sensoren messen nur Kräfte, daher ist es
nötig den Druck in eine Kraft umzuwandeln. Innerhalb des
Drucksensors wird ähnlich wie beim Piezoresistiven Drucksensor (siehe 4.2.1) eine dünne Membran bekannter Größe an einer massiven Basis angebracht. Durch die massive Basis wird sichergestellt das der Druck nur gezielt in
einer Richtung auf die Messelemente einwirkt. Im Gegensatz zum piezoresistiven Drucksensor wird die Membran
hier nur dazu verwendet um eine, zum Druck proportionale, Kraft zu erzeugen. Die bei Krafteinwirkung entstehende Ladung am Kristal wird mithilfe eines Ladungsverstärkers in eine proportionale Spannung verarbeitet und
ausgegeben bzw weiterverarbeitet. Unmittelbar lässt sich
die Spannung nicht messen, da die geringe erzeugte Ladung
sehr gut isoliert sein muss. Um einen Nullpunkt des Sensors zu einzustellen genügt es bei einem beliebigen Druck
die Ladung abzuleiten.
Piezoelektrische Sensoren besitzen eine außergewöhnlich
hohe Empfindlichkeit, auf 1000 kg ist noch 1 g erfassbar. Außerdem vorteilhaft ist, dass sie unempfindlich gegen
viele Störungsquellen (Magnetfelder, Strahlung, Temperatur) sind. Andererseits sind sie allerdings weniger gut geeignet statische Messungen durchzuführen, da selbst bei
hervorragender Isolierung ein geringer Abfluss der eigentlich konstanten Ladung immer vorhanden ist. Ein weiteres Problem ist, dass die piezoelektrischen Sensoren auf
mehrere physikalische Größen ansprechen(z.B. Beschleunigung). Daher ist es notwendig beschleunigungskompensierende Elemente in Drucksensoren einzubauen. [7]
A
d
C
ref
) ∗ U0
U (p) = ( C(p)
Hierbei ist C(p) die Sensorkapazität und U0 die Versorgungsspannung. Abbildung 5 zeigt einen solchen kapazitiven Drucksensor. Die Kondensatoren rechts und links stellen die Referenzkapazitäten zur Verfügung und sind unabhängig vom Druck, da sie nicht auf der Membran aufgebracht sind. Die beiden mittleren Kondensatoren liefern
die Sensorkapazitäten, da sie auf der beweglichen Membran liegen.
Des Weiteren sorgen die Referenzkapazitäten dafür, dass
Temperaturen ausgelichen werden. Kondensatoren sind genau wie Widerstände temperaturempfindlich und ihre Kapazität verändert sich bei unterschiedlichen Temperaturen.
Referenz- und Sensorkondensatoren sind aber der gleichen
Umgebungstemperatur ausgesetzt und da die Ausgangsspannung neben diesen beiden Faktoren lediglich von der
Eingangsspannung U0 abhängt, ist die Kompensation von
Umgebungstemperaturschwankungen möglich.[8, S.226]
Abbildung 5: Kapazitiver Drucksensor
[8, S.226]
4.2.4
Induktiver Drucksensor
Induktive Drucksensoren nutzen die induktiven Eigenschaften von Spulen aus. Sie bestehen aus zwei durch eine
Abbildung 6: Induktiver Drucksensor
[9]
Membran getrennten Kammerhälften. An den Kammerwänden werden intergrierte Spulen angebracht (siehe Abb.
6). In einer Kammer herrscht ein Referenzdruck, in der
anderen herrscht Umgebungsdruck. Ändert sich der Umgebungsdruck innerhalb der Kammer kommt es zur Verschiebung der Membran, da diese an jeder Seite je ein Metallplättchen besitzt, kommt es zu einer Änderung der Induktivität in den beiden Spulen. Anhand dieser Induktivität
kann die Druckveränderung gemessen werden. [9]
4.2.5
Mithilfe von Hall-Elementen und einem Permanentmagneten lässt sich ebenfalls, unter Ausnutzung des Halleffekts, ein Drucksensor herstellen. Hierzu wird ein Magnet
an einer druckempfindlichen Membran angebracht. Bewegt
sich die Membran verschiebt sich der Magnet entlang des
Hall Elements und die Hallspannung verändert sich.
Hall Effekt.
Dieser 1879 von E. H. Hall entdeckter Effekt, beschreibt
das Auftreten einer Spannung (Hallspannung) in einem
stromdurchflossenen Leiter, der senkrecht durch ein Magnetfeld bewegt wird. Die Hallspannung UH berechnet sich
aus dem fließenden Strom I, der magnetischen Feldstärke
B, der Dicke des Leiters d und der Hallkonstanten RH [11,
S. 504 ff]
UH = RH ∗
4.3
4.3.1
Abbildung 7: Hall Drucksensor
[10]
Drucksensor mit Hallelement
I∗B
d
Messung im Vakuumbereich
Wärmeleitungsvakuummeter
Wärmeleitungsvakuummeter gehören zur Klasse der indirekten Messgeräte. Sie Nutzen die Tatsache aus, dass die
Wärmeleitfähigkeit von Gasen bei abnehmenden Druck geringer wird. Ein klassiches Beispiel für ein solches Gerät
ist das Vakuummeter nach Pirani. Ein stromdurchflossener Draht (meist Wolfram oder Nickel) mit dem Radius r
gibt Wärme in Form von Strahlung und Wärmeableitung
an das umgebende Gas ab. In einem Grobvakuum oberhalb
1 mbar ist die Wärmeleitung durch Gaskonvektion (Strömung von termisch geladenen Teilchen) nahezu druckunabhängig. Reduziert sich jedoch der Druck soweit, dass die
mittlere freie Weglänge (Strecke, die ein Molekül zurücklegen muss, bevor es mit einem anderen zusammenstößt)
des Gases in etwa dem Drahtdurchmesser r annähert, so
geht diese Form der Wärmeableitung mehr und mehr zurück. Dieser Rückgang ist dann dichte - und druckabhängig.Unterhalb 10− 3 mbar liegt die mittlere freie Weglänge eines Gases bereits in der Größe der Abmessung der
Messröhre. Der Messdraht innerhalb der Messröhre ist teil
einer Wheatestone Brücke (siehe 2.3) und wird mit konstanter Leistung so aufgeheitzt, dass seine Temperatur in
etwa 100◦ C höher liegt als die Temperatur der Röhrenwand. Durch die Ableitung an den Drahtenden und der
Wärmeabstrahlung stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur ein. Bei zunehmenden Druck nimmt die Temperatur
des Drahtes aufgrund der höheren Wärmeableitung durch
das Gas ab. Dies geschieht proportional zur MolekülzahlKonzentration und damit auch proportional zum Druck.
Nimmt die Temperatur des Drahtes ab, ändert sich sein
(temperaturabhängiger) Widerstand und die Wheatestone Brücke ist nicht mehr ausgeglichen. Der jetzt fließende
Brückenstrom dient als Maß für den anliegenden Gasdruck.
Häufige Einsatzgebiete für solche Messgeräte sind die Chemische Industrie und die Elektrotechnik. [12]
5.
FAZIT
Innerhalb der Ausarbeitung wurden verschiedene Verfahren zur Druckmessung vorgestellt. Insgesamt kann man
sagen, dass die Druckmessung sehr ausgereift ist und es
Sensoren für die unterschiedlichsten Druckbereiche gibt.
Jeder Sensor hat seine Stärken und Schwächen, so sind
piezoelektrische Sensoren außerordentlich empfindlich und
messen auch geringste Druckveränderungen. Zum Messen
von statischem Druck sind sie aber ungeeignet. Hier eignen sich wiederum eher piezoresistive Sensoren. Wärmelei-
[9]
[10]
[11]
[12]
Abbildung 8: Wärmeleitungsvakuummeter
[12]
tungsvakuummeter eignen sich hingegen dafür selbst winzigste Drücke im Vakuum zu registrieren.
Drucksensoren werden immer weiterentwickelt und sind
schon heute von großer Bedeutung im Flugzeug und Fahrzeugbau. Sie finden in immer mehr Bereichen Verwendung
und werden von Bedeutung für die zukünftige Entwicklung
sein.
6.
LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS
[1] Stefan Hesse and Gerhard Schnell. Sensoren für die
Prozess- und Fabrikautomation: FunktionAusführung- Anwendung. Vieweg+Teubner Verlag,
2008.
[2] Rainer Felderhoff, Manfred Mettke, and Ulrich
Freyer. Elektrische und elektronische Messtechnik:
Grundlagen, Verfahren, Geräte und Systeme. Hanser
Verlag, 2007.
[3] Walter Greulich. Lexikon der Physik De bis Gy.
Specktrum Akademischer Verlag Heidelberg, 1999.
[4] Regeln und Steuern: Grundoperationen
der Prozessleittechnik Messen. Jürgen Reichwein and
Gerhard Hochheimer and Dieter Simic. Wiley-VCH,
2007.
[5] Helmut Eckelmann. Einführung in die
Strömungsmesstechnik. Vieweg+Teubner Verlag,
1997.
[6] Dr. Gábor Harsányi. Sensedu - an internet based
short-course on sensorics. Website. [Online; accessed
14-June-2010].
[7] piezocryst. Grundlagen piezoelektrische sensoren.
website last, 2008. [Online; accessed 14-June-2010].
[8] Friedemann Völklein and Thomas Zetterer.
Praxiswissen Mikrosystemtechnik: GrundlagenTechnologien- Anwendungen. Vieweg+Teubner
Verlag, 2006.
ISM DEUTSCHLAND GmbH. Leckmesstechnik teil
1 differenzdrucktechnik in der dichtheitspruefung.
PDF, 1995.
Festo GmbH. Druckschalter und drucksensoren.
PDF, 2008.
Wilhelm Raith and Clemens Schaefer.
Elektromagnetismus Band 2. Walter de Gruyter,
1999.
Marcus Oettinger. Erzeugung und messung von
vakuum im versuch 20. website, 2006. [Online;
accessed 14-June-2010].