Drucksensor-Technologien im Überblick

Unter den Herstellern von Druckmessgeräten bietet Baumer in dem Produktsegment Process Instrumentation mit vier verschiedenen Technologien eines der größten Leistungsspektren am Markt. Drei davon sind dem piezoresistiven Prinzip zuzuordnen, wobei jeweils eine Wheatstonesche Messbrücke auf Trägermaterialien wie Dünnfilm, Keramik-Dickfilm und Silizium aufgebracht wird. Eine weitere bedeutende Technologie zur Druckmessung basiert auf dem kapazitiven Messprinzip, bei dem ebenfalls ein Dickfilm-Keramiksensor zum Einsatz kommt. Sie alle bieten Vorteile in Bezug auf unterschiedliche Faktoren wie Messbereich (Relativ- und/oder Absolutdruck), Genauigkeit, Langzeitstabilität, Überdrucksicherheit, Resistenz gegenüber Erschütterungen und Vibrationen oder Kosten. Entscheidend für den Einsatz der Technologie sind daher im Einzelfall die jeweiligen Applikationsanforderungen. Dünnfilm-Technologie Bei der Dünnfilm-Technologie wird durch verschiedene Verfahren eine Folge von sehr dünnen Schichten auf eine Edelstahlmembrane aufgebracht. Mit nur knapp 5µm umfassen diese Schichten weniger als ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Auf eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid folgen die vier Widerstände aus einer Nickellegierung, eine Leiterschicht und eine Schutzschicht aus einer Sili­ziumverbindung. Anstelle des üblicherweise für diese Schutzschicht verwendeten Siliziumdioxids setzt Baumer hier Siliziumnitrid ein, wodurch die Sensoren eine Langzeitstabilität erhalten, da dieses Material resistent ist gegenüber Säuren, Radioaktivität sowie salzhaltiger und feuchter Luft. Auch das Design der Membrane ist bei Baumer-Sensoren anders aufgebaut, da der Druck nicht auf die gesamte Fläche der Messzelle wirkt, sondern ringförmig, wodurch eine Linearität, sehr geringe Hysterese und eine stabile Temperatur erreicht werden. In der Maschinenausstattung, in Wasserkläranlagen, bei der Energieversorgung oder auch in automatischen Folgesteuerungen kommen beispielsweise Transmitter der Baureihe PDR/A zum Einsatz. Sie eignen sich zur Messung von Relativ- oder Absolutdruck von 1bar bis zu 1.600bar. Die robusten Messgeräte sind ideal für hydraulische und Schwerlast-Anwendungen. Ihre Vorteile liegen in der ho­hen Genauigkeit und Zuverlässigkeit, der Linearität, der Überdrucksicherheit, der Temperatur- und Langzeitstabilität. Dickfilm (piezoresistiv) Bei der Dickfilm-Technologie wird Keramik als Trägermaterial der Druckmesszellen verwendet. Keramik ist chemisch neutral und verträgt sich mit den meisten Medien, selbst mit äußerst aggressiven. Darüber hinaus zeichnen sich diese Messzellen durch eine Langzeitstabilität sowie vorteilhafte Mess­eigenschaften in Bezug auf Linearität und Hysterese aus. Unter den Keramik-Messzellen eignen sich die monolithischen jedoch nur zur Messung des Relativdrucks in einem Bereich zwischen 0 bis 2,5bar und 0 bis 200bar. Auf der Transbar-Technologie basierende Messzellen dagegen eignen sich sowohl für Relativ- als auch Absolutdruck und decken einen Messbereich von 0 bis 25mbar bis zu 0 bis 600bar ab. Die Transbar-Technologie ist aus der Entwicklung elektronischer Hybridschaltkreise in der Halbleitertechnik hervorgegangen. Auf einer Keramik-Trägermembrane wird mithilfe von bestimmten resistiven Pasten eine Wheatstonesche Brückenschaltung geschaffen. Bei Druckeinwirkung auf die Keramik-Trägermembrane verformt sich diese und bewirkt eine Änderung des Widerstandswertes der Brückenschaltung gegenüber dem Ausgangszustand. Daraus resultiert ein unverstärktes mV-Brückensignal, das proportional zum anstehenden Druck ist. Keramik-Messzellen eignen sich für zahlreiche Anwendungen in der Prozesstechnik wie z.B. für Industriegase, im Transportbereich und in der Automobilindustrie. So wird der auf der Transbar-Technologie basierende Transmitter der E900-Serie etwa im Bremssystem von Zügen, zur Druckluftsteuerung in elektrischen Lokomotiven oder für die hydraulische Druckmessung in Tankfahrzeugen eingesetzt. Er kann entweder als universell einsetzbares Gerät oder als integrierte Systemkomponente für viele Anwendungen verwendet werden. Piezoresistive Siliziumzellen Bei der piezoresistiven Druckmessung mit Silizium-Messzellen wird die Wheat­stone-Brücke ähnlich wie in der Halbleiterindustrie direkt in einen Siliziumchip eingefügt. Der Chip ist auf einen TO8-Standard-Sockel montiert und von einem Edelstahlgehäuse umhüllt. Für die Druckübertragung von der Membrane zum Chip wird eine Füllflüssigkeit verwendet. Der Messbereich reicht mit diesen Drucksensoren von 100mbar bis 40bar, und zwar für Absolut-, Relativ- und Differenzdruck. Messgeräte, die auf dieser Technologie basieren, sind beispielsweise der ED701 oder FlexBar HRT von Baumer, die sich durch eine hohe Genauigkeit über ei­nen breiten kompensierten Temperaturbereich, eine kurze Ansprechzeit so­wie ihre Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität auszeichnen. Sie eignen sich für genaue Messungen in der Lebensmittelindustrie, der Pharmazeutik und Biotechnologie. Auch in Tauchsonden wird diese Technologie eingesetzt. So handelt es sich bei den Tiefenmessern der Baureihe ED75X um piezoresistive Druckmessumformer, die sich zur Messung von Füllständen von Flüssigkeiten jeder Art eignen. Das Edel­stahlgehäuse in Schutzart IP68 ist resistent gegen aggressive Medien. Der ED752 ist eine Lösung für anspruchsvolle Anwendungen in den Bereichen Trinkwasser, Abwasser, Tankniveau, Meerwasser oder Tauchpumpen, um nur einige Möglichkeiten aufzuführen. Er zeichnet sich durch Genauigkeit über den kompensierten Temperaturbereich, Wiederholgenauigkeit und Langzeitstabilität aus. Der schlankere und kürzere ED753 passt in ein Ein-Zoll-Rohr und eignet sich somit insbesondere für Anwendungen, bei denen der Platz sehr beschränkt ist. Die Belüftung wird durch ein in das Kabel integriertes Röhrchen geregelt, wodurch sich das Messinstrument dem Umgebungsdruck anpasst. Die Messbereiche reichen von 600mbar (6mH2O) bis 20bar (200mH2O). Die Anwendung ist sehr einfach, da keine speziellen Installationen wie Schweißmuffen benötigt werden und am Behälter keinerlei Eingriffe oder Veränderungen nötig sind. Kapazitive Technologie mit Keramik-Dickfilm Kapazitive Dickfilm-Sensoren unterscheiden sich grundsätzlich von den an­deren drei Technologien, da die Druckmessung hier über die Abstandsänderung zwischen zwei Kondensatorplatten erfolgt. Eine der Platten ist fest, die andere beweglich. Beide Platten bestehen aus Keramik und sind mit einer leitfähigen Tinte bedeckt, die im Siebdruckverfahren aufgebracht und im Brennofen getrocknet wurde. Wenn Druck auf die Messzelle wirkt, ver­kleinert sich der Abstand zwischen den beiden Platten und die Kapazität nimmt proportional zum Druck zu. Das kapazitive Messprinzip eignet sich besonders zur Messung von niederen Druckbereichen von 100mbar bis zu 40bar. Es zeigt eine hervorragende Langzeitstabilität und eine außergewöhnlich hohe Überdruckfestigkeit. Typische Anwendungsszenarien für Geräte der Baureihe E6XX, die auf diesem Messprinzip basieren, sind daher Prozesse, bei denen zeitweilig ein erheb­licher Überdruck entstehen kann, wie in Installationen der Wasseraufbereitung und -versorgung, zur Druckmessung in HLK-Anlagen oder für die hydrostatische Füllstandsmessung an Leitungen und Behältern. Der Messbereich dieser Druckmessumformer reicht von 0 bis 100mbar bis 0 bis 40bar für Relativ- und Absolutdruck. Dem robusten Edelstahlgehäuse können auch agg­ressive Medien nichts anhaben. Selbst unter rauen Bedingungen arbeiten die Sensoren dieser Baureihe äußerst sicher und zuverlässig. Aktuelle Entwicklungen und Ausblick Jede dieser Technologien hat ihre Vorteile und so müssen letztendlich die Anforderungen der jeweiligen Applikation den Ausschlag zugunsten einer bestimmten Druckmessung geben. Ist z.B. der Absolutdruck zu messen, kommt die Dünnfilmtechnologie weniger in Frage, die sich jedoch zur Messung eines sehr großen Relativdruckbereichs und vor allem für Anwendungen eignet, die eine hohe Messgenauigkeit in einem großen Betriebstemperaturbereich erfordern. Zur Messung von niederen Druckbereichen ist die kapazitive Keramikdickfilm-Messung die ideale und zu­dem eine sehr kostengünstige Lösung. In rauen Umgebungsbedingun­gen, in denen eine gute Resistenz gegenüber Erschütterungen und Vibrationen nötig ist, sind piezoresistive Silizium- oder auch Dünnfilmsensoren die idealen Druckmessgeräte. Entscheidend ist auf alle Fälle, dass der Anbieter ne­ben einem breiten Produktfortfolio auch die notwendige Beratungskompetenz bieten kann, damit der Anwender die richtige Wahl treffen kann.