Temperaturmessung
Teil von Leitfaden Druckmessung für Prozessanlagen und Rohrleitungen
Wie Druckmessung mit piezoresistiven Sensoren funktioniert
Piezoresistive Druckmessung erklärt: Aufbau der Membran, Wheatstone-Brücke, Signalkonditionierung sowie Ausgangssignale 4 bis 20 mA, 0 bis 10 V und IO-Link.
Das Wichtigste auf einen Blick
- Piezoresistive Drucksensoren messen die Widerstandsänderung von dotiertem Silizium unter mechanischer Spannung.
- Vier Dehnungsmessstreifen auf der Membran sind zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet.
- Die Signalkonditionierung verstärkt das Millivolt-Signal und kompensiert Temperatureinflüsse.
- Gebräuchliche Ausgangssignale sind 4 bis 20 mA, 0 bis 10 V und IO-Link.
- Der nutzbare Messbereich reicht von 0 bis 100 mbar bis 0 bis 1000 bar.
Membran und Dehnungsmessstreifen
Kernbauteil eines piezoresistiven Drucksensors ist eine dünne Membran aus einkristallinem Silizium. In ihre Oberfläche sind vier Widerstandsbahnen eindiffundiert, die als Dehnungsmessstreifen arbeiten. Zwei sitzen im Zentrum der Membran, zwei am fest eingespannten Rand.
Strömt Druck gegen die Membran, wölbt sie sich durch. Die Widerstände im Zentrum werden gedehnt, die am Rand gestaucht. Beide Verformungen ändern den elektrischen Widerstand des dotierten Siliziums. Diesen Zusammenhang nennt man den piezoresistiven Effekt.
Die Geometrie folgt dem Messbereich. Für kleine Drücke ab 0 bis 100 mbar braucht die Membran eine große Fläche und geringe Dicke, damit die Verformung ausreicht. Bei Drücken bis 0 bis 1000 bar wird sie dicker und der Durchmesser kleiner, dafür das Gehäuse stabiler.
Bei heißen oder aggressiven Medien schützt eine Ölfüllung mit vorgeschalteter Trennmembran die Siliziumzelle. Der Druck wird über das Öl übertragen, das Medium berührt den Sensor nicht. Metallmembranen mit Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen kommen ins Spiel, wenn höhere Temperaturen oder große Überlasten auftreten.
Wheatstone-Brücke und Signalkonditionierung
Die vier Dehnungsmessstreifen bilden eine Wheatstone-Brücke. Ohne Druck sind die Widerstände so abgeglichen, dass zwischen den Messpunkten nahezu keine Spannung anliegt. Unter Druck kippt dieses Gleichgewicht, und es entsteht eine Differenzspannung im Millivoltbereich.
Aus diesem Rohsignal erzeugt die Signalkonditionierung ein belastbares Ausgangssignal:
Von der Brücke zum Ausgangssignal
- Wheatstone-Brücke liefert Millivolt-Differenzspannung
- Verstärker hebt Signal auf einige Volt
- Kompensationsstufe korrigiert Nullpunkt und Spanne
- Analog-Digital-Wandler digitalisiert für IO-Link
- Ausgangsstufe formt genormtes Signal
Die Verstärkung ist immer ein Kompromiss. Ein kräftiges Signal vergrößert auch Rauschen und Offsetfehler, deshalb begrenzen Hersteller die Bandbreite. Nullpunktdrift, Temperaturgang und Hysterese bleiben die wichtigsten Fehlerquellen. Die Kennlinie wird im Werk abgeglichen und im Datenblatt dokumentiert.
Ausgangssignale im Vergleich
Eigenschaften
- 4 bis 20 mA
- Zweileiter, unempfindlich gegen Leitungslänge, Leitungswiderstand und Einstreuungen
- 0 bis 10 V
- Dreileiter, einfache Verdrahtung, reagiert auf Spannungsabfall
- IO-Link
- Digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung, überträgt Messwert, Parameter und Diagnose
Typischer Einsatz
- 4 bis 20 mA
- Prozessleittechnik mit langen Leitungen
- 0 bis 10 V
- Maschinenbau, kurze Leitungen
- IO-Link
- Modulare Anlagen, häufige Formatwechsel
Beim Stromsignal zeigt ein Wert unterhalb von 4 mA einen Fehler oder Leitungsbruch an. Das Spannungssignal lässt sich am Eingang einer Steuerung direkt verarbeiten, verliert auf langen Wegen aber Genauigkeit.
IO-Link liefert den Messwert digital und dazu Parameter wie Messbereich, Dämpfung und Diagnosestatus. Beim Gerätetausch übernimmt die Steuerung die hinterlegten Einstellungen.
Messbereiche und Geräte am Markt
WIKA, Endress+Hauser, Keller und Balluff liefern Drucksensoren und Druckmessumformer, die den Bereich von 0 bis 100 mbar bis 0 bis 1000 bar abdecken. Die Geräte unterscheiden sich in Genauigkeit, Werkstoff und Zulassung, nicht im Messprinzip.
Die Messbereiche sind gestaffelt, damit jede Anwendung eine passende Zelle findet. Ein Gerät für 0 bis 1000 bar reagiert auf kleine Drücke kaum, ein Gerät für 0 bis 100 mbar verträgt keinen hohen Überdruck.
Für die Prozessinstrumentierung führt Siemens Druckmessumformer und Drucktransmitter in mehreren Baureihen. Industriedrucksensoren von ifm electronic lassen sich per IO-Link parametrieren, sodass Messbereich und Schaltpunkte ohne Austausch des Geräts wechseln.
Häufige Fragen
Warum werden vier Dehnungsmessstreifen statt eines einzelnen verwendet?
Ein einzelner Widerstand würde auch Temperaturänderungen erfassen und könnte sie nicht vom Druck unterscheiden. In der Brückenschaltung heben sich gleichsinnige Störungen beider Zweige weitgehend auf. Das Nutzsignal wird dadurch empfindlicher und stabiler.
Was bedeutet ein Ausgangsstrom unterhalb von 4 mA?
Der Wert liegt unterhalb des vereinbarten Messbereichs. Meist deutet das auf einen Leitungsbruch, einen defekten Sensor oder eine Störung hin. Die Steuerung kann diesen Zustand eindeutig von einem gültigen Messwert trennen.
Welche Drücke lassen sich piezoresistiv messen?
Der Bereich reicht von 0 bis 100 mbar bis 0 bis 1000 bar. Nach unten begrenzt die minimale Membranverformung die Auflösung, nach oben die Festigkeit von Membran und Gehäuse.
Was passiert bei Überdruck?
Druck oberhalb des Überlastbereichs verformt die Membran dauerhaft. Der Nullpunkt verschiebt sich, und das Ausgangssignal bleibt falsch. Deshalb ist ein Messbereich mit Reserve sinnvoll.
Müssen piezoresistive Drucksensoren kalibriert werden?
Ja. Drift und mechanische Belastung verändern die Kennlinie, deshalb sind regelmäßige Prüfungen sinnvoll. In eichpflichtigen Anwendungen gelten zusätzlich die Vorgaben des Mess- und Eichgesetzes (MessEG).
