Wie kann man Druck messen?

Was ist Druck?

Druck wird definiert als Kraft pro Flächeneinheit, die von einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas) senkrecht auf eine Oberfläche ausgeübt wird.

Er wird durch die Formel P = F/A beschrieben,

wobei

P = Druck
F = die resultierende Kraft
A = die Fläche, auf die die Kraft einwirkt

Arten der Druckmessung

Es gibt drei Hauptarten der Druckmessung:

1. Absolutdruck: Der Druck wird bezogen auf ein perfektes Vakuum (Nulldruck) gemessen.

2. Relativdruck (Überdruck): Der Druck wird bezogen auf den atmosphärischen Umgebungsdruck gemessen.

3. Differenzdruck: Gemessen als Differenz zwischen zwei Drücken

Druck kann positiv oder negativ sein. Negativer Druck ist ein Zustand, bei der der Druck in einem gegebenen Raum niedriger ist als der Umgebungsdruck. Da fast alle Drucksensoren auf dem Prinzip der Druckdifferenzmessung beruhen, können sie sowohl positiven als auch negativen Druck messen.

Druckeinheiten

Druck wird je nach Kontext und Messgerät in unterschiedlichen Einheiten angegeben. Die gängigsten sind:

1. Pascal (Pa): Die SI-Einheit (Internationales Einheitensystem) des Drucks. Ein Pascal ist definiert als ein Newton pro Quadratmeter (N/m²). Hinweis: Ein Kilopascal (kPa) entspricht 1000 Pascal.

2. Newton pro Quadratmeter (N/m²): 1 N/m² entspricht 1 Pascal.

3. Bar (bar): Eine metrische Druckeinheit, 1 bar entspricht 100.000 Pascal.

4. Physikalische Atmosphäre (atm): 1 atm entspricht dem mittleren auf Höhe des Meeresspiegels herrschenden Luftdruck (Normaldruck, 101.325 Pascal).

5. Torr (torr): 1 Torr entspricht 133,322 Pascal.

6. Pfund pro Quadratzoll (psi): Die in den Vereinigten Staaten gebräuchliche Einheit psi entspricht dem Druck, den die Gewichtskraft von einem Pfund auf eine Fläche von einem Quadratzoll ausübt.

7. Millimeter Quecksilbersäule (mmHg): Diese Maßeinheit, die de facto mit dem Torr identisch ist (1 mmHg entspricht 133,322 Pascal), kommt in der Medizin und Meteorologie zur Anwendung.

8. Zoll Quecksilbersäule (inHg): Diese Maßeinheit kommt in den USA  in der Luftfahrt und Meteorologie zur Anwendung (1 inHg entspricht 3386,389 Pascal).

Jede Einheit kann je nach Anwendung und dem in einem bestimmten Bereich bevorzugten Messsystem verwendet werden.

Messwandler vs. Messumformer

Der Begriff „Drucksensor“ kann sich sowohl auf Messwandler (Transducer) als auch auf Messumformer (Transmitter) beziehen. Messwandler sind Sensoren, die in der Regel einen Spannungsausgang haben, während Messumformer ihre Ausgangssignale über eine standardisierte 4–20-mA-Stromschleife ausgeben. 2-Draht- und 4-Draht-Stromschleifen sind für Industrie- und Prozesssteuerungsanwendungen in verschiedenen Branchen weit verbreitet.

Drucksensor- und Manometertypen

Die Druckmesstechnologie ist aufgrund der großen Vielfalt verfügbarer Sensortypen sehr breit gefächert. Dementsprechend variieren auch die Druckmessverfahren je nach Art des verwendeten Sensors. Sensoren und Messwandler haben elektrische Ausgänge, die mit Messsystemen verbunden werden können, während Manometer in der Regel mechanische Geräte sind, die über eine physische Skala oder eine andere visuelle Anzeige als Ausgabe verfügen. Im Folgenden betrachten wir die wichtigsten Arten von Drucksensoren und Manometern und vergleichen ihre Stärken, Schwächen und geeignetsten Anwendungsbereiche:

• Piezoresistive Drucksensoren (Dehnungsmessstreifen)

• Kapazitive Drucksensoren

• Piezoelektrische Drucksensoren (mit Ladungsausgang)

• MEMS-Drucksensoren

• Resonanzdraht-Drucksensoren

• Optische Drucksensoren

• Wärmeleitungs-Drucksensoren

• Rohrfeder-Manometer

• Flüssigkeitsmanometer

• Plattenfeder-Manometer

• Ionisations-Vakuummeter

Piezoresistive Drucksensoren (Dehnungsmessstreifen)

Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren messen die Verformung einer Membran oder Struktur, an der Dehnungsmessstreifen (DMS) angebracht sind. Druckinduzierte Verformungen verändern den elektrischen Widerstand der DMS, der dann mithilfe einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen und mit dem Druck korreliert wird.

Diese Sensoren werden häufig in industriellen Anwendungen, Automobilsystemen und Kraftmessdosen eingesetzt, da sie eine hohe Genauigkeit, gute Linearität und einen großen Messbereich bieten. Sie erfordern jedoch eine Temperaturkompensation und können im Laufe der Zeit Drift aufweisen, es sei denn, die entsprechenden Signalaufbereiter enthalten Kompensationsschaltungen, wie es bei der Signalkonditionierung STG-Reihe von Dewesoft der Fall ist.

Anwendungen von Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren: 

Dehnungsmessstreifen werden in nahezu allen Branchen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, im Gesundheitswesen, bei der Strukturüberwachung, bei Modaltests und in vielen weiteren Bereichen. Sie finden zudem Anwendung in Wägezellen.

Vorteile von Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren:

• Gute Genauigkeit und Linearität

• Großer Druckbereich

Nachteile von Dehnungsmessstreifen-Drucksensoren:

• Temperaturkompensation erforderlich

• Mögliche Drift im Laufe der Zeit 

Kapazitive Drucksensoren

Diese Sensoren messen Druck, indem sie Kapazitätsänderungen zwischen zwei Platten erkennen, von denen eine fixiert ist und die andere als Membran dient, die sich unter Druckeinwirkung bewegt. Ein elektrischer Schaltkreis misst diese Kapazitätsänderungen und wandelt sie in Druckwerte um.

Diese Sensoren sind äußerst präzise, jedoch empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und elektromagnetischen Störungen. Zur Gewährleistung genauer Messergebnisse ist daher eine sorgfältige Kalibrierung notwendig.

Anwendungen von kapazitiven Drucksensoren: 

Kapazitive Drucksensoren werden in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Empfindlichkeit und Präzision erfordern, z. B. in medizinischen Geräten und in Laborausrüstungen. Darüber hinaus finden sie in Steuer- und Überwachungssystemen Verwendung, wie etwa bei Höhen-, Durchfluss-, Luftgeschwindigkeits- und Füllstandsmessungen.

Vorteile kapazitiver Drucksensoren:

• Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit

• Geeignet zur Messung sehr niedriger Drücke

Nachteile kapazitiver Drucksensoren:

• Empfindlich gegenüber Temperatur und elektromagnetischen Störungen

• Kalibrierung für genaue Messungen erforderlich

Piezoelektrische Drucksensoren (mit Ladungsausgang)

Diese Sensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, bei dem Materialien wie Quarz, Keramik, Bleizirkonattitanat (PZT) und andere kristalline Stoffe als Reaktion auf mechanische Beanspruchung, einschließlich Druck, eine elektrische Ladung erzeugen. Diese elektrische Ladung kann gemessen und über Elektroden in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt werden. Ein Signalaufbereiter konvertiert die Ladung dann in einen nutzbaren Druckwert.

Piezoelektrische Sensoren sind ideal für dynamische, schnell wechselnde Druckmessungen, z. B. bei der Analyse von Verbrennungsmotoren, Crashs-Tests, Fahrzeugdynamiktests und anderen Prüfungen. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind sie jedoch für die meisten statischen Druckmessungen ungeeignet.

Anwendungen von piezoelektrischen Drucksensoren: 

Diese Sensoren sind ideal für dynamische Druckmessungen (mit hoher Bandbreite), z. B. bei Verbrennungsmotoranalysen und Stoßwellenstudien.

Vorteile piezoelektrischer Drucksensoren:

• Hohe Bandbreite (Frequenzgang)

• Robuster Betrieb, selbstgespeist

• Für dynamische und transiente Druckmessungen geeignet

Nachteile piezoelektrischer Drucksensoren:

• Nicht für statische Druckmessungen geeignet

• Sorgfältige Handhabung erforderlich, um Materialermüdung zu vermeiden

• Temperaturempfindlichkeit

MEMS-Drucksensoren

MEMS-Drucksensoren (Mikroelektromechanische Systeme) integrieren mechanische Elemente, Sensoren und Elektronik auf einem Siliziumchip. Sie verfügen typischerweise über eine mikromechanische Membran, die sich unter Druck verformt, wobei piezoresistive Elemente oder kapazitive Platten diese Verformung messen. Das erhaltene Signal wird dann von der integrierten Elektronik verarbeitet.

MEMS-Sensoren werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres niedrigen Stromverbrauchs, ihrer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Verbraucherelektronik, Fahrzeugsystemen und medizinischen Geräten weit verbreitet eingesetzt.

Anwendungen von MEMS-Drucksensoren: 

Weit verbreitet in der Verbraucherelektronik, Fahrzeugsystemen und medizinischen Geräten

Vorteile von MEMS-Drucksensoren:

• Geringe Größe und niedriger Stromverbrauch

• Ideal, wenn die Genauigkeit des Drucksensors wichtig ist

• Niedrige Kosten

• Kapazitive MEMS-Sensoren gut geeignet für statische Druckmessungen

• Piezoresistive MEMS-Sensoren gut geeignet für dynamische Druckmessungen

Nachteile von MEMS-Drucksensoren:

• Auf niedrigere Druckbereiche beschränkt

• Empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen

Resonanzdraht-Drucksensoren

Diese Sensoren messen druckinduzierte Änderungen der Resonanzfrequenz eines Drahtes (oder einer Membran). Der Druck verändert die Spannung im Draht, was wiederum seine Resonanzfrequenz beeinflusst.

Resonanzdrahtsensoren bestehen aus einem Resonanzdraht oder einer Membran und einem elektromagnetischen Treiber und Sensor. Sie zeichnen sich durch eine hohe Präzision und Stabilität aus und sind ideal für Anwendungen wie Höhenmessung (Altimetrie) und Meteorologie 

Anwendungen von Resonanzdraht-Drucksensoren: 

Für Anwendungen, die eine hohe Präzision und Stabilität erfordern, wie z. B. Höhenmessung und Meteorologie

Vorteile von Resonanzdraht-Drucksensoren:

• Hohe Genauigkeit und Stabilität

• Geringe Hysterese

Nachteile von Resonanzdraht-Drucksensoren:

• Komplex und teuer

Empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen

Optische Drucksensoren

Optische Drucksensoren nutzen Lichtleitfasern und Interferometrie, um druckinduzierte Änderungen der optischen Eigenschaften eines Materials oder die Auslenkung einer Membran zu messen. Die Lichtleitfaser überträgt das Licht, während ein Interferometer oder Photodetektor die Änderungen der optischen Eigenschaften erfasst.

Diese Sensoren kommen in rauen Umgebungen, z. B. bei der Öl- und Gasexploration, und in biomedizinischen Anwendungen zur Anwendung. Sie sind immun gegen elektromagnetische Störungen und können in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden, ihre hohen Kosten und die Notwendigkeit spezieller Signalverarbeitungsgeräte sind allerdings klare Nachteile.

Anwendungen von optischen Drucksensoren: 

Geeignet für raue Umgebungen, z. B. bei der Öl- und Gasexploration, und biomedizinische Anwendungen

Vorteile optischer Drucksensoren:

• Unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen

• Für raue und explosionsgefährdete Umgebungen geeignet

Nachteile optischer Drucksensoren:

• Relativ hohe Kosten

Spezielle Ausrüstung für die Signalverarbeitung erforderlich

Wärmeleitungs-Vakuummeter

Wärmeleitungs-Vakuummeter, auch Pirani-Vakuummeter genannt, basieren auf dem Prinzip, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Gases mit seinem Druck variiert. Ein Widerstandsheizelement (oft ein Glühfaden) erhitzt das Gas im Sensor, während in der Nähe des Heizelements platzierte Temperatursensoren die Temperatur des Gases messen.

Bei niedrigerem Druck gibt es weniger Gasmoleküle, die Wärme ableiten können, was zu höheren Temperaturen in der Nähe des Heizelements führt. Bei höherem Druck sind mehr Gasmoleküle vorhanden, die die Wärme ableiten, was zu niedrigeren Temperaturen in der Nähe des Heizelements führt. Aus dem gemessenen Temperaturunterschied wird die Wärmeleitfähigkeit des Gases berechnet. Da die Wärmeleitfähigkeit eine bekannte Funktion des Drucks für ein spezifisches Gas ist, kann der Sensor aus dieser Beziehung den Druck bestimmen.

Anwendungen von Wärmeleitungssensoren: Einsatz in Vakuumsystemen und Niederdruckumgebungen, z. B. in der Halbleiterfertigung

Vorteile von Wärmeleitungssensoren:

• Einfach und robust

• Für Niederdruckmessungen geeignet

Nachteile von Wärmeleitungssensoren:

• Auf bestimmte Druckbereiche beschränkt

• Beeinflussung durch das gemessene Gas

Rohrfeder-Manometer (Bourdonfeder)

Das Rohrfeder-Manometer ist eine der ältesten und am häufigsten eingesetzten Methoden zur Druckmessung. Es handelt sich um einen mechanischen Sensor, der auf dem Prinzip der Verformung basiert. Ein gebogenes Rohr neigt dazu, sich zu strecken, wenn es unter Druck gesetzt wird, und diese Verformung ist proportional zum angelegten Druck. Primäres Sensorelement ist ein C-förmiges Rohr, normalerweise aus Metall, das mit einem Mechanismus verbunden ist, der die Verformung des Rohrs in eine ablesbare Skalenbewegung umsetzt.

Anwendungen von Rohrfedern:

Rohrfedern werden häufig in industriellen Umgebungen zur Messung mittlerer bis hoher Drücke in hydraulischen und pneumatischen Systemen eingesetzt.

Vorteile von Rohrfedern:

• Einfache und robuste Konstruktion

• Komplett mechanisch – keine Stromversorgung erforderlich

• Kostengünstig

Nachteile von Rohrfedern:

• Begrenzte Genauigkeit im Vergleich zu elektronischen Sensoren

• Anfällig für mechanische Abnutzung im Laufe der Zeit

Flüssigkeitsmanometer

Während Rohrfeder-Manometer den Druck anhand einer mechanischen Verformung messen, nutzen Flüssigkeitsmanometer das Prinzip der Flüssigkeitsverdrängung. Dabei wird eine Flüssigkeitssäule gegen den zu messenden Druck ausbalanciert, wobei die Höhe der Säule proportional zum Druck ist. Flüssigkeitsmanometer sind in verschiedenen mechanischen Konfigurationen erhältlich, darunter U-Rohr-Manometer, geneigte Manometer und digitale Manometer.

Anwendungen von Flüssigkeitsmanometern:

Flüssigkeitsmanometer kommen in speziellen Anwendungen wie Laborexperimenten oder Niederdruckmessungen zum Einsatz.

Vorteile von Flüssigkeitsmanometern:

• Zur hochgenauen Messung sehr niedriger Drücke geeignet

• Einfache Konstruktion, auch für Differenzdruckmessungen geeignet

• Keine Stromversorgung erforderlich

• Relativ niedrige Kosten

Nachteile von Flüssigkeitsmanometern:

• Nicht zur Messung so hoher Drücke geeignet wie Rohrfedern

• Anfällig für mechanische Abnutzung im Laufe der Zeit

Plattenfeder-Manometer

Membran-Drucksensoren eignen sich gut für die Messung von niedrigen bis mittleren Drücken, insbesondere in Gegenwart korrosiver Flüssigkeiten oder Gase sowie hochviskoser Flüssigkeiten. Ihre Anschlüsse sind mechanisch voneinander isoliert, so dass sie sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten verwendet werden können. Sie nutzen eine flexible Membran, die sich bei Druckänderungen verformt. Diese Verformung wird über eine mechanische Verbindung in eine Skalenanzeige, über einen Messwandler in ein elektrisches Signal oder auch in beide umgewandelt. Für Anwendungen mit höherer Bandbreite verwenden einige Membran-Drucksensoren einen piezoelektrischen Sensor für die Messung.

Anwendungen von Plattenfeder-Manometern:

Plattenfeder-Manometer eignen sich für Messungen von niedrigen bis mittleren Drücken, insbesondere in Umgebungen, in denen viskose Flüssigkeiten oder korrosive Gase oder Flüssigkeiten vorhanden sind und Rohrfedern oder andere Drucksensoren nicht eingesetzt werden können.

Vorteile von Plattenfeder-Manometern:

• Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit

• Zur Messung niedriger Drücke geeignet

Nachteile von Plattenfeder-Manometern:

• Auf bestimmte Druckbereiche beschränkt

• Materialermüdung im Laufe der Zeit möglich

Ionisations-Vakuummeter

Diese Sensoren messen Druck auf der Grundlage der Ionisation von Gasmolekülen. Ein elektrisches Feld ionisiert das Gas, und die resultierenden Ionen werden über Elektroden gesammelt, um einen Strom zu erzeugen, der proportional zum Druck ist. Der Ionenstrom wird anschließend in einen Druckmesswert umgewandelt. Aufgrund ihrer extrem hohen Empfindlichkeit werden diese Messgeräte vor allem in Ultrahochvakuumanwendungen, etwa in der wissenschaftlichen Forschung oder in Weltraumsimulationskammern, eingesetzt.

Anwendungen von Ionisations-Vakuummetern: 

Diese Sensoren kommen hauptsächlich in Ultrahochvakuumanwendungen in der wissenschaftlichen Forschung und in Weltraumsimulationskammern zum Einsatz.

Vorteile von Ionisations-Vakuummetern:

• Extrem empfindlich

• Geeignet für Messungen im Ultrahochvakuum

Nachteile von Ionisations-Vakuummetern:

• Komplex und teuer

• Für genaue Messungen Hochvakuum erforderlich

Wichtige Anwendungen von Drucksensorenure sensor applications

Da sie Drücke genau messen und überwachen können, sind Druckwandler und -sensoren sind in vielen Branchen und Anwendungen unverzichtbar. Hier einige wichtige Anwendungen:

Automobilindustrie

In der Automobilindustrie kommen Drucksensoren in zahlreichen verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, darunter:

• Ansaugkrümmerdruck, Kraftstoffdruck, Öldruck

• Reifendruckkontrollsysteme (TPMS)

• Bremssysteme, hydraulische Drucküberwachung

• Getriebe und Schaltsysteme, Hydraulikdruck

Gesundheitswesen und medizinische Geräte

Medizinische Drucksensoren werden in zahlreichen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter:

• Blutdrucküberwachung

• Luftdruckmessung in CPAP- und anderen Beatmungsgeräten 

• Drucküberwachung in Infusionspumpen

Industrielle Automatisierung

Die industrielle Druckmessung kommt unter anderem in den folgenden Anwendungen vielfach zum Einsatz:

• Hydraulische und pneumatische Systeme

• Gas- und Flüssigkeitsdruck in Rohrleitungen, Reaktoren und Lagertanks

• Lecksuche in Rohrleitungen

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

• Höhe, barometrischer Druck, atmosphärischer Druck

• Kabinendruck

• Überwachung des Kraftstoffdrucks

Verbraucherelektronik

• Smartphones und tragbare Höhen- und Luftdruckmessgeräte, Fitness- und Ortungsdienste

• Wasserdruckmessung in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Geschirrspülern

Umweltüberwachung

• Wetterstationen: Barometrische Drucksensoren messen den atmosphärischen Druck in Wetterstationen und tragen so zur Erstellung von Wettervorhersagen und Klimastudien bei.

• Wasserqualitätsüberwachung: Drucksensoren überwachen den Druck in Wassersystemen, um eine zuverlässige und sichere Wasserversorgung zu gewährleisten.

Öl- und Gasindustrie

• Sicherheitsrelevante Druckmessungen in Bohrsystemen

• Druckmessungen in Pipelines zur Erkennung von Lecks und Verstopfungen

Lebensmittel- und Getränkeindustrie

• Druckmessung in Verpackungssystemen zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Versiegelung und Vermeidung von Lebensmittelkontaminationen

• Druckregelung in verschiedenen Lebensmittelverarbeitungsanlagen

Schiffsindustrie

• Drucküberwachung in Ballasttanks zur Gewährleistung der optimalen Schiffsstabilität

• Überwachung des Öl- und Kraftstoffdrucks in Verbrennungsmotoren

HVAC-Systeme

• Überwachung des Kühlmitteldrucks

• Luftdrucküberwachung und -steuerung zur Gewährleistung von Luftqualität und Komfort

Fazit

Die Druckmessung ist für zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen von entscheidender Bedeutung und erfordert eine Vielzahl von Sensoren und Technologien zur Erfüllung unterschiedlichster Anforderungen. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Überwachung und Steuerung von Prozessen in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Gesundheitswesen, der Umweltüberwachung und der Fertigung. 

Jede Druckmessmethode – von der robusten Rohrfeder bis hin zum hochsensiblen digitalen MEMS-Drucksensor – hat ihre eigenen, spezifischen Vorteile und Grenzen. Die Wahl der geeigneten Methode hängt von Faktoren wie dem Druckbereich, den Umgebungsbedingungen, den Genauigkeitsanforderungen und anwendungsspezifischen Vorgaben ab. Fortschritte in der Sensortechnologie erweitern den Funktionsumfang und die Anwendungsbereiche der Druckmessung und ebnen den Weg für präzisere, zuverlässigere und vielseitigere Lösungen in der Zukunft.