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Drucksensoren sind heute buchstäblich überall anzutreffen – erfahren Sie mehr über ihre Arten, ihr Funktionsprinzip und ihre praktischen Anwendungen.
Festkörper-Drucksensoren sind derzeit die am weitesten verbreiteten Komponenten, die für die Druckmessung in verschiedenen Konfigurationen und Bereichen ausgelegt sind. Diese oft innovativen und stark miniaturisierten Bauteile erfüllen in vielen Industriezweigen – Automobil, Medizin, Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrt und sogar in der Weltraumtechnik– äußerst wichtige Funktionen.
Grundlagen der Drucksensoren
Klassische elektronische Drucksensoren arbeiten in der Regel auf der Grundlage des so genannten piezoresistiven Effekts, bei dem sich der elektrische Widerstand einer aus einem speziellen Material bestehenden Platte unter mechanischer Belastung ändert. Bei Drucksensoren wird die Dehnung durch Druckänderungen des Mediums, das der Sensor messen soll (Gas oder Flüssigkeit), erzeugt – die dünne Membran übt Druck auf die empfindliche elektrische Struktur aus, und die Höhe der Dehnung hängt direkt von dem auf die Membran ausgeübten Druck ab. Eine Reihe von Piezowiderständen, die in der Regel in einer Wheatstone-Brücke verbunden sind, arbeiten in der Regel mit der Membran zusammen, so dass das Signal durch eine einfache Spannungsmessung mit einem Präzisionsverstärker und einem Analog-Digital-Wandler überwacht werden kann.
Bei der Besprechung über die heutigen Drucksensoren kommt man an der MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) nicht vorbei, die die Integration mechanischer Komponenten wie mikroskopisch kleine Membranen, Hebel oder Federn mit elektronischen Komponenten auf einem einzigen Halbleiterchip ermöglicht. Dies ermöglicht die Herstellung sehr kleiner, leichter und dennoch äußerst präziser und zuverlässiger Drucksensoren (aber auch vieler anderer Sensortypen wie Mikrofone, Beschleunigungsmesser, Gyroskope oder sogar… Temperatursensoren).
Die MEMS-Technologie hat nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Unterhaltungselektronik Einzug gehalten – sie findet sich in jedem Smartphone, jeder Smartwatch oder FPV-Drohne, also überall dort, wo die Miniaturisierung einzelner elektronischer Komponenten der Schlüssel zur Reduzierung von Größe und Gewicht des gesamten Geräts ist.
Arten und Anwendungen von Drucksensoren
Drucksensoren lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen, die sich sowohl in ihrem Aufbau als auch in der daraus resultierenden Messmethode und damit in ihrem Anwendungsbereich unterscheiden.
- Absolute Sensoren messen den Druck relativ zu einem (annähernd) idealen Vakuum, was sie für Anwendungen wie die Luft- und Raumfahrtindustrie unentbehrlich macht, wo es notwendig ist, Druck in extrem niedrigen Bereichen zu messen. In der Praxis werden diese Bauteile häufig zur Druckmessung in HLK-Anlagen oder Prozessüberwachungssystemen eingesetzt, wo es wichtig ist, den Druck unabhängig von wechselnden atmosphärischen Bedingungen konstant zu halten. In ähnlicher Weise setzen auch barometrische Sensoren (Luftdrucksensoren) den Wert des aktuellen Luftdrucks in Beziehung zu einem bei der Herstellung festgelegten internen Standard. Diese wiederum werden in einer Reihe von meteorologischen Geräten zur Überwachung des Luftdrucks (für eine genauere Wetterüberwachung und -vorhersage) sowie in tragbaren Geräten oder Drohnen (zur Messung der Höhe über dem Boden) verwendet.
- Relativsensoren messen den Druck in einem geschlossenen Raum (z. B. einer Vakuumkammer oder einem Luftbehälter) im Verhältnis zum atmosphärischen Druck. Typischerweise ist diese Art von Bauteil mit einem speziellen pneumatischen Anschluss in Form eines Zapfens mit kleinem Durchmesser (normalerweise 1,8…3,0 mm) ausgestattet, an den ein Silikonschlauch oder ein anderes flexibles Rohr mit geeigneter Größe angeschlossen werden muss. Im Automobilbereich werden sie zur Überwachung von Reifendruck, Bremssystemen oder Motoröldruck eingesetzt. Im medizinischen Bereich werden sie jedoch in Blutdrucküberwachungsgeräten (einschließlich aller Oberarm- und Handgelenk-Blutdruckmessgeräte, die mit einer aufblasbaren Manschette ausgestattet sind) oder in Geräten zur Überwachung des intrakraniellen Drucks auf Intensivstationen verwendet.
- Differenzsensoren messen die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten. In technischer Hinsicht unterscheiden sie sich nicht grundlegend von den relativen Sensoren, mit Ausnahme eines Details: Sie sind nicht mit einem, sondern mit zwei pneumatischen Anschlüssen ausgestattet, die zu den Kammern auf beiden Seiten der Membran führen. Die Komponenten dieser Gruppe werden in einer Vielzahl von Branchen und Technologien eingesetzt und sind in Lüftungs- und Klimaanlagen zur Überwachung des Luftstroms und in der petrochemischen Industrie zur Überwachung des Flüssigkeitsstroms unverzichtbar. In der Medizin werden sie in Dialysegeräten eingesetzt, wo die genaue Messung der Druckdifferenz für den korrekten und sicheren Betrieb des Geräts unerlässlich ist.
Drucksensoren für meteorologische und Höhenmessungsanwendungen
Barometrische Sensoren sind eine spezielle Gruppe von absoluten Sensoren, die zur Messung des atmosphärischen Drucks bestimmt sind. In Anbetracht des breiten Anwendungsspektrums wollen wir uns zwei beliebte barometrische Sensoren näher ansehen – den BMP280 und den BME388.
BMP280
Der Bosch BMP280 ist ein digitaler barometrischer Drucksensor, der eine außergewöhnliche Messgenauigkeit in einem kleinen, energieeffizienten System bietet. Er ist für die Messung des atmosphärischen Drucks im Bereich von 300 bis 1.100 hPa ausgelegt, mit einer Messgenauigkeit von 0,12 hPa. Der BMP280 hat eine hohe Auflösung (0,16 Pa/LSB) und kann bis zu 157 Hz abtasten. Der Sensor wird mit einem Spannungsbereich von 1,71 V bis 3,6 V betrieben und eignet sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich kompakter batteriebetriebener Geräte. Der BMP280 verwendet die seriellen Schnittstellen I2C und SPI.
BME680
Der BME680 ist ein weiterer Bosch-Sensor, der nicht nur ein barometrischer Drucksensor ist, sondern auch ein Sensor der die relative Luftfeuchtigkeit und die Lufttemperatur messen kann. Der BME608 hat einen Druckmessbereich von 300 bis 1100 hPa, mit einem Rauschen von bis zu 0,12 Pa (RMS), während die Messbereiche für Luftfeuchtigkeit und Temperatur jeweils 0% … 100% RH (mit einer Genauigkeit von ±3% RH) und -40 … 85 °C (mit einer Genauigkeit von ±0,5 °C). Der BME680 wird mit 1,71 V bis 3,6 V versorgt und bietet – wie der BMP280 – Anschlussmöglichkeiten über I2C und SPI. Seine Abtastrate beträgt bis zu 182 Hz und die Abmessungen seines Miniatur-LGA-Gehäuses betragen 3,0 x 3,0 x 0,93 mm.
