Überdrucksensor im Vergleich zu Absolut- und Differenzdrucksensoren: Ein technischer Leitfaden für die industrielle Automatisierung und Prozesssteuerung

Ein Relativdrucksensor (auch Relativdrucksensor genannt) ist ein Gerät, das den Druck relativ zum umgebenden Atmosphärendruck misst. Der Sensor verfügt über einen belüfteten Referenzanschluss, der zur umgebenden Atmosphäre hin offen ist. Das Sensorelement misst die Differenz zwischen dem auf einer Seite der Membran wirkenden Prozessdruck und dem auf der anderen Seite wirkenden Atmosphärendruck. Wenn der Prozessdruck dem Atmosphärendruck entspricht, ist der Sensorausgang Null (0 psi, 0 bar oder 0 kPa). Wenn der Prozessdruck höher als der atmosphärische Druck ist (Überdruck), ist der Ausgang positiv. Wenn der Prozessdruck niedriger als der atmosphärische Druck ist (Vakuum oder Unterdruck), ist der Ausgang negativ. Das Sensorelement ist typischerweise eine piezoresistive mikrobearbeitete Siliziummembran (MEMS) oder ein Dünnfilm-Dehnmessstreifen auf einer Metallmembran. Wenn der Druck die Membran verformt, ändert sich der Widerstand der Piezowiderstände und erzeugt eine elektrische Ausgabe proportional zum ausgeübten Druck. Das Ausgangssignal wird typischerweise auf industrielle Standardwerte verstärkt: 4–20 mA Schleifenstrom, 0–5 VDC, 0–10 VDC oder digitale Ausgänge (I2C, SPI, CAN-Bus). Überdrucksensoren werden in Tausenden von Anwendungen eingesetzt: Drucküberwachung von Hydrauliksystemen, Druckluftsystemen, Wasserverteilungsnetzen, Pumpensteuerung, Tankfüllstandsmessung (durch Messung des hydrostatischen Drucks) und pneumatische Steuerungen. Ausführliche technische Spezifikationen finden Beschaffungsexperten hier Überdrucksensoren Produktseiten für Materialdatenblätter und Testberichte.

Der grundlegende Unterschied zwischen Relativ-, Absolut- und Differenzdrucksensoren liegt im zur Messung verwendeten Referenzdruck. Überdrucksensoren verwenden den Atmosphärendruck als Referenz. Der Sensor verfügt über ein belüftetes Gehäuse oder einen zur Luft offenen Referenzanschluss. Bei atmosphärischem Druck ist die Leistung Null. Manometersensoren eignen sich für die meisten industriellen Prozesse, da den Bedienern der Druck im Verhältnis zur Umgebung wichtig ist (z. B. 100 psi über der Atmosphäre). Absolutdrucksensoren verwenden eine versiegelte Vakuumreferenzkammer (perfektes Vakuum, 0 psi absolut) als Referenz. Der Sensor wird nicht in die Atmosphäre entlüftet. Nur im perfekten Vakuum ist die Leistung Null. Absolutsensoren werden zur Luftdruckmessung, zur Höhenmessung und für Anwendungen verwendet, bei denen atmosphärische Druckschwankungen die Messung beeinflussen würden (z. B. Dichtheitsprüfung versiegelter Behälter, Vakuumofen-Druckregelung). Differenzdrucksensoren messen die Differenz zwischen zwei Prozessdrücken (P1 – P2). Keiner der Anschlüsse ist in die Atmosphäre entlüftet. Differenzialsensoren werden zur Durchflussmessung (mittels Messblenden), zur Filterüberwachung (Druckabfall über einem Filter) und zur Flüssigkeitsstandmessung in geschlossenen Tanks (Differenz zwischen Bodendruck und Dampfdruck oben) eingesetzt. Die Wahl hängt von der Anwendung ab. Bei einem belüfteten Tank ist die Anzeige korrekt. Bei einem versiegelten Tank mit schwankendem Atmosphärendruck ist möglicherweise ein Differenzdruck erforderlich. Für die Höhenmessung ist eine absolute Messung erforderlich. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen.

Moderne Überdrucksensoren nutzen die MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems), die mikroskopisch kleine mechanische Strukturen mit elektronischen Schaltkreisen auf einem einzigen Siliziumchip integriert. Der Kern des MEMS-Drucksensors ist eine mikrobearbeitete Siliziummembran, typischerweise 5 bis 50 Mikrometer dick, die mithilfe von Fotolithographie- und Ätzverfahren hergestellt wird. An stark beanspruchten Stellen (Ränder und Mitte) sind Piezowiderstände (dotierte Siliziumbereiche, die bei Belastung ihren Widerstand ändern) in die Membran diffundiert. Wenn Druck ausgeübt wird, verformt sich die Membran, was zu einer Belastung der Piezowiderstände führt. Die Widerstandsänderung ist proportional zum ausgeübten Druck. Die vier Piezowiderstände sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verbunden, die Widerstandsänderungen in ein Differenzspannungssignal umwandelt. Das Spannungssignal wird von einem ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) oder einer Signalaufbereitungsschaltung verstärkt, linearisiert, temperaturkompensiert und in das gewünschte Ausgabeformat (4–20 mA, Spannung oder digital) umgewandelt. Der MEMS-Chip ist auf einem Substrat (Keramik, Leiterplatte oder Metall) montiert, drahtgebunden und zur Medienkompatibilität mit einer Gelbeschichtung oder einer Isoliermembran aus Edelstahl geschützt. Die Messgerätereferenz wird erreicht, indem die Rückseite des MEMS-Chips (oder die Rückseite der Isolationsmembran) durch ein Entlüftungsloch im Sensorgehäuse zur Atmosphäre hin entlüftet wird. Die MEMS-Technologie bietet mehrere Vorteile: sehr kleine Größe (Chip nur 1 mm x 1 mm), hohe Empfindlichkeit (Mikrovolt pro Pascal-Bereich), geringer Stromverbrauch (Milliwatt), hervorragende Wiederholbarkeit und niedrige Kosten bei großen Stückzahlen. Für raue Industrieumgebungen (korrosive Flüssigkeiten, hohe Temperaturen) kann der MEMS-Chip durch eine Edelstahlmembran vom Medium isoliert und mit Silikonöl gefüllt werden (ölgefüllter Überdrucksensor).

Überdrucksensoren sind in einer Vielzahl von Druckbereichen erhältlich, um für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet zu sein. Niederdruckbereiche (0–1 psi bis 0–15 psi, 0–0,07 bar bis 0–1 bar) werden für die HVAC-Luftdrucküberwachung, Reinraum-Differenzdrücke und Niederdruck-Pneumatiksysteme verwendet. Mitteldruckbereiche (0–50 psi bis 0–500 psi, 0–3,5 bar bis 0–35 bar) werden für allgemeine Industriehydraulik, Wasserverteilung, Pumpenauslassdruck und Prozesssteuerung verwendet. Hochdruckbereiche (0–1000 psi bis 0–10.000 psi, 0–70 bar bis 0–700 bar) werden für die Hydraulik schwerer Geräte, Spritzgießmaschinen, hydraulische Pressen und Hochdruck-Wasserstrahlschneiden verwendet. Vakuum- oder Compound-Bereiche (-14,7 psi bis 0 psi, -1 bar bis 0 bar) messen Unterdruck (Vakuum) zur Saugüberwachung, Vakuumverpackung und Laboranwendungen. Verbundbereiche (-14,7 bis 30 psi, -1 bis 2 bar) messen sowohl Vakuum als auch Überdruck. Ausgangssignale sind für Industriekompatibilität standardisiert. Analogausgänge: 4–20 mA Schleifenstrom (am häufigsten für industrielle Steuerungen, lange Kabelstrecken, Störfestigkeit), 0–5 VDC, 0–10 VDC (üblich für SPS und Datenerfassung) und 1–5 VDC. Digitale Ausgänge: I2C und SPI (für eingebettete Systeme und IoT-Geräte), RS-485 Modbus (für industrielle Netzwerke) und CAN-Bus (für Automobil- und Schwermaschinen). Die Erregerspannung beträgt typischerweise 5 VDC oder 9–30 VDC (für schleifengespeiste 4–20 mA-Sensoren).

Die Genauigkeit ist die wichtigste Spezifikation für einen Überdrucksensor. Sie wird normalerweise als Prozentsatz des Skalenendwerts (%FS) ausgedrückt. Überdrucksensoren in Industriequalität erreichen eine Genauigkeit von ±0,5 % FS, ±0,25 % FS oder ±0,1 % FS. Hochpräzise Sensoren für Labor- oder Kalibrieranwendungen erreichen ±0,05 % FS oder besser. Zur Genauigkeit gehören mehrere Fehlerquellen: Linearität (Abweichung der Ausgabe von einer geraden Linie über den Druckbereich), Hysterese (Unterschied in der Ausgabe bei zunehmendem Druck gegenüber abnehmendem Druck), Wiederholbarkeit (Fähigkeit, die gleiche Ausgabe bei gleichem Druck unter identischen Bedingungen zu erzeugen) und Temperatureffekte (Nullpunktverschiebung und Bereichsverschiebung mit der Temperatur). Bei einem ±0,5 % FS-Sensor liegt das Gesamtfehlerband (einschließlich Linearität, Hysterese, Wiederholbarkeit und Temperatureffekten über den kompensierten Temperaturbereich) innerhalb von ±0,5 % des Skalenendwerts. Beispielsweise weist ein 0–100 psi-Sensor mit einer Genauigkeit von ±0,5 % FS an jedem Punkt einen maximalen Fehler von ±0,5 psi auf. Die Temperaturkompensation ist für genaue Messungen bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unerlässlich. Der Sensor wird bei mehreren Temperaturen kalibriert (typischerweise -20 °C, 25 °C und 85 °C), und die Kompensationskoeffizienten werden im ASIC oder Mikrocontroller des Sensors gespeichert. Während des Betriebs misst der Sensor die Temperatur und wendet die Korrekturfaktoren auf den Druckmesswert an. Der kompensierte Temperaturbereich beträgt typischerweise -20 °C bis 85 °C für Industriesensoren oder -40 °C bis 125 °C für Automobil- und Sensoren mit erweitertem Bereich. Außerhalb des kompensierten Bereichs nimmt die Genauigkeit mit einer bestimmten Rate ab (z. B. ±0,03 % FS pro °C).

Die beim Bau von Überdrucksensoren verwendeten Materialien bestimmen die chemische Kompatibilität, Temperaturbeständigkeit und Langzeitstabilität. Druckanschlussmaterial: Edelstahl (304, 316 oder 316L) wird am häufigsten für Industriesensoren verwendet und bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit für Wasser, Öl, Luft und milde Chemikalien. Für stark korrosive Medien (Säuren, Laugen, Salzwasser) stehen Anschlüsse aus Hastelloy C-276, Inconel oder Titan zur Verfügung. Für Lebensmittel- und Pharmaanwendungen ist Edelstahl 316L mit hygienischen Tri-Clamp-Anschlüssen erforderlich. Membranmaterial: Für Allzwecksensoren sorgt die Membran aus Edelstahl 316L (Dicke 0,05–0,2 mm) für gute Empfindlichkeit und Haltbarkeit. Bei Niederdrucksensoren (unter 5 psi) bieten Keramik- oder Siliziummembranen (direkter Medienkontakt) eine höhere Empfindlichkeit. Für ultrahochreine Anwendungen (Halbleiter, Pharma) kann die Membran aus Aluminiumoxidkeramik oder Silizium ohne metallberührte Teile bestehen. Material des Sensorgehäuses: Gehäuse mit Schutzart IP65/IP67/IP68 sind für Nass-, Außen- oder Tauchanwendungen erforderlich. Zu den Gehäuseoptionen gehören Edelstahl (für korrosive Umgebungen), Aluminium (für allgemeine Industriebereiche) und Polycarbonat (für leichte Innenbereiche). Dichtungsmaterialien: Zur Abdichtung von Druckanschluss und Gehäuse werden O-Ringe (Viton, EPDM, NBR) oder Dichtungen verwendet. Das Dichtungsmaterial muss mit der Prozessflüssigkeit kompatibel sein. Viton (FKM) ist für die meisten Öle, Kraftstoffe und Chemikalien geeignet; EPDM ist für Wasser, Dampf und Bremsflüssigkeiten geeignet; NBR ist für Mineralöle und Kraftstoffe geeignet. Für Hochtemperaturanwendungen (über 125 °C / 260 °F) können Metalldichtungen oder Glas-Metall-Dichtungen erforderlich sein.

Überdrucksensoren werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, wobei die Spezifikationen je nach Anwendung variieren. Für Hydrauliksysteme (Industriepressen, Spritzgießmaschinen, Baumaschinen, Gabelstapler) ist ein Überdrucksensor von 0–5.000 psi bis 0–10.000 psi mit 4–20 mA-Ausgang und Schutzart IP67 Standard. Der Sensor muss Druckspitzen standhalten (2-3x Nenndruck) und über eine hohe Überdruckfähigkeit verfügen. Für pneumatische Systeme (Druckluftüberwachung, Druckluftwerkzeuge, pneumatische Aktuatoren) wird ein 0–150 psi oder 0–300 psi Manometersensor mit 0–10 VDC Ausgang und schneller Reaktionszeit (unter 1 ms) verwendet. Zur Messung des Flüssigkeitsstands in offenen Tanks (Wassertürme, Sümpfe, Chemikalientanks, Abwasserbecken) misst ein tauchfähiger Überdrucksensor den hydrostatischen Druck am Boden des Tanks. Der Druck ist proportional zur Flüssigkeitshöhe: 1 psi ≈ 2,31 Fuß (0,7 Meter) Wassersäule. Für eine genaue Füllstandsmessung muss der Sensor durch das Kabel entlüftet werden (entlüftetes Messgerätdesign), damit atmosphärische Druckschwankungen aufgehoben werden. Für die Vakuumüberwachung (Vakuumverpackungen, Saugnäpfe, medizinische Absaugung, Laborvakuumkammern) ist ein Verbunddrucksensor (-14,7 bis 0 psi, -1 bis 0 bar) erforderlich, um den Unterdruck relativ zur Atmosphäre zu messen. Der Sensor sollte bei niedrigen Drücken (0,1 % FS oder besser) eine hohe Auflösung haben. Zur Pumpensteuerung und Brunnenüberwachung (Brunnen, Bewässerungspumpen, Druckerhöhungspumpen) wird ein 0–200 psi-Messsensor mit 4–20 mA-Ausgang und robustem Edelstahlgehäuse verwendet, um den Pumpenauslassdruck zu überwachen und vor Trockenlaufbedingungen zu schützen. In der folgenden Tabelle sind Anwendungen mit empfohlenen Spezifikationen aufgeführt.

Für Hersteller, die Überdrucksensoren exportieren, sind dokumentierte Qualitäts- und Konformitätszertifizierungen unerlässlich. Zu den am häufigsten nachgefragten Normen und Zertifizierungen gehören: CE-Kennzeichnung (europäische Konformität) gemäß der EMV-Richtlinie (2014/30/EU) und der RoHS-Richtlinie (2011/65/EU), ISO 9001 (Qualitätsmanagementsystem) und für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen die ATEX-Zertifizierung (europäisch) oder IECEx (international) für Eigensicherheit (Ex ia) oder druckfeste Kapselung (Ex d). Zu den spezifischen Leistungstests gehören: Genauigkeitstest (Messung an 5–10 Kalibrierungspunkten im gesamten Druckbereich, nach oben und unten, um Linearität, Hysterese und Wiederholbarkeit zu überprüfen), Temperaturkompensationstest (Messung bei -20 °C, 25 °C und 85 °C oder einem bestimmten Bereich zur Überprüfung von Nullpunktverschiebung und Bereichsverschiebung), Langzeitstabilitätstest (500–1000 Stunden Drifttest bei Nenndruck und 85 °C, um zu überprüfen, dass sich der Ausgang nicht mehr als den angegebenen Prozentsatz pro Jahr ändert), Überdrucktest (Anwendung des 1,5-fachen bis 3-fachen Nenndrucks ohne Beschädigung), Berstdrucktest (zerstörender Test zur Überprüfung des Sicherheitsspielraums), elektrischer Sicherheitstest (Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit) und EMV-Test (gestrahlte und leitungsgebundene Emissionen gemäß CISPR 11, Immunität gemäß IEC 61000-4-2 bis -6). Für Drucksensoren, die in medizinischen Geräten verwendet werden, ist eine ISO 13485-Zertifizierung erforderlich. Für Automobilanwendungen ist eine IATF 16949-Zertifizierung erforderlich. Für Trinkwasseranwendungen kann eine NSF/ANSI 61-Zertifizierung für Materialien erforderlich sein, die mit Trinkwasser in Kontakt kommen. Viele große Industrieabnehmer verlangen außerdem Werksaudits gemäß ISO 9001 und eine dokumentierte Rückführbarkeit der Kalibrierung auf internationale Standards (NIST, PTB oder andere nationale Metrologieinstitute). Hersteller, die über aktuelle Zertifizierungen und transparente Qualitätsaufzeichnungen verfügen, verschaffen sich einen Wettbewerbsvorteil bei der internationalen Beschaffung.