Was ist ein piezoelektrischer Drucksensor?
Piezoelektrische Drucksensoren lassen sich weiter danach klassifizieren, ob die elektrostatische Ladung, der spezifische Widerstand oder die Resonanzfrequenz des Kristalls gemessen wird. Je nachdem, welches Phänomen genutzt wird, kann der Kristallsensor als elektrostatisch, piezoresistiv oder resonant bezeichnet werden.
Wenn Druck, Kraft oder Beschleunigung auf einen Quarzkristall ausgeübt wird, entsteht über den Kristall eine Ladung, die proportional zur ausgeübten Kraft ist (Abbildung 3-8). Der grundlegende Unterschied zwischen diesen Kristallsensoren und statischen Kraftmessgeräten wie Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass das vom Kristall erzeugte elektrische Signal schnell abklingt. Aufgrund dieser Eigenschaft sind diese Sensoren für die Messung statischer Kräfte oder Drücke ungeeignet, aber für dynamische Messungen nützlich.
Wenn Druck auf einen Kristall ausgeübt wird, verformt er sich elastisch. Diese Verformung führt zu einem Stromfluss (der einige Sekunden lang anhält). Das resultierende elektrische Signal kann als Indikator für den auf den Kristall ausgeübten Druck gemessen werden. Diese Sensoren können keinen statischen Druck erfassen, sondern werden zur Messung schnell wechselnder Drücke verwendet, die durch Druckstöße, Explosionen, Druckpulsationen (in Raketentriebwerken, Motoren, Kompressoren) oder andere Stoß- oder Vibrationsquellen entstehen. Einige dieser robusten Sensoren können Druckereignisse mit „Anstiegszeiten” in der Größenordnung von Millionstel Sekunden erfassen und werden später in diesem Kapitel näher beschrieben.
Die Ausgabe solcher dynamischen Drucksensoren wird häufig in „relativen” Druckeinheiten (z. B. psir statt psig) angegeben, wodurch die Messung auf den Ausgangszustand des Kristalls bezogen wird. Der maximale Messbereich solcher Sensoren beträgt 5.000 oder 10.000 psir. Zu den wünschenswerten Eigenschaften piezoelektrischer Sensoren gehören ihre robuste Bauweise, ihre geringe Größe, ihre hohe Geschwindigkeit und ihr selbst erzeugtes Signal. Andererseits sind sie empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und erfordern eine spezielle Verkabelung und Verstärkung. 
Außerdem erfordern sie besondere Sorgfalt bei der Installation: Eine solche Überlegung ist, dass das Moment der Montage dem Moment entsprechen sollte, mit dem sie kalibriert wurden (in der Regel 30 in.-lbs). Ein weiterer Faktor, der ihre Leistung durch Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit beeinträchtigen kann, ist die Tiefe des leeren Hohlraums unterhalb des Hohlraums. Je größer der Hohlraum, desto langsamer die Reaktion. Daher wird empfohlen, die Tiefe des Hohlraums so gering wie möglich zu halten und nicht tiefer als der Durchmesser der Sonde (in der Regel etwa 0,25 Zoll) zu sein.
Elektrostatische Druckwandler sind klein und robust. Die Kraft auf den Kristall kann in Längs- oder Querrichtung ausgeübt werden und führt in beiden Fällen zu einer hohen Ausgangsspannung, die proportional zur ausgeübten Kraft ist. Das vom Kristall selbst erzeugte Spannungssignal ist nützlich, wenn die Stromversorgung des Sensors unpraktisch oder unmöglich ist. Diese piezoelektrischen Sensoren bieten außerdem eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit (30 kHz mit Spitzenwerten bis zu 100 kHz), wodurch sie sich ideal für die Messung transienter Phänomene eignen. Abbildung 3-9 zeigt einen beschleunigungskompensierten Drucksensor. Bei dieser Konstruktion erfolgt die Kompensation durch Hinzufügen einer seismischen Masse und eines separaten „Kompensationskristalls” mit umgekehrter Polarität. Diese Komponenten sind so dimensioniert, dass sie den Trägheitseffekt der Massen (Endstück und Membran), die bei Beschleunigung auf den druckempfindlichen Kristallstapel wirken, genau ausgleichen.
Da Quarz ein häufig vorkommendes und natürlich vorkommendes Mineral ist, sind diese piezoelektrischen Wandler in der Regel kostengünstig. Turmalin, eine natürlich vorkommende Halbedelsteinform von Quarz, hat eine Reaktionszeit im Submikrosekundenbereich und eignet sich für die Messung sehr schneller Transienten. Durch die richtige Auswahl des Kristalls kann der Konstrukteur sowohl eine gute Linearität als auch eine verringerte Temperaturempfindlichkeit gewährleisten.
Obwohl piezoelektrische Wandler nicht in der Lage sind, statische Drücke zu messen, werden sie häufig zur Bewertung dynamischer Druckphänomene im Zusammenhang mit Explosionen, Pulsationen oder dynamischen Druckbedingungen in Motoren, Raketentriebwerken, Kompressoren und anderen Druckgeräten eingesetzt, die schnellen Veränderungen ausgesetzt sind. Sie können Drücke zwischen 0,1 und 10.000 psig (0,7 kPa bis 70 MPa) erfassen. Die typische Genauigkeit beträgt 1 % des Skalenendwerts mit einem zusätzlichen Temperaturfehler von 1 % des Skalenendwerts pro 1000 °C.
Piezoresistive Drucksensoren arbeiten auf der Grundlage der Widerstandsabhängigkeit von Silizium unter Belastung. Ähnlich wie ein Dehnungsmessstreifen besteht ein piezoresistiver Sensor aus einer Membran, auf die vier Paare von Siliziumwiderständen aufgebracht sind. Im Gegensatz zur Konstruktion eines Dehnungsmessstreifensensors besteht hier die Membran selbst aus Silizium, und die Widerstände werden während des Herstellungsprozesses in das Silizium diffundiert. Die Membran wird durch Verbinden der Membran mit einem unbearbeiteten Siliziumwafer fertiggestellt.
Wenn der Sensor zur Messung des Absolutdrucks verwendet werden soll, wird der Verbindungsprozess unter Vakuum durchgeführt. Wenn der Drucksensor referenziert werden soll, wird der Hohlraum hinter der Membran entweder mit der Atmosphäre oder mit der Referenzdruckquelle verbunden. Bei Verwendung in einem Prozesssensor wird die Siliziummembran durch eine mit Flüssigkeit gefüllte Schutzmembran aus Edelstahl oder einer anderen Legierung, die den Korrosionsanforderungen des Einsatzes entspricht, vor direktem Kontakt mit den Prozessmaterialien geschützt.
Piezoresistive Drucksensoren reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen und müssen temperaturkompensiert werden. Piezoresistive Drucksensoren können von etwa 3 psi bis zu maximal etwa 14.000 psi (21 kPa bis 100 MPa) eingesetzt werden.
Resonante piezoelektrische Drucksensoren messen die Änderung der Resonanzfrequenz von Quarzkristallen unter einer aufgebrachten Kraft. Der Sensor kann aus einem aufgehängten Balken bestehen, der unter Ausschluss aller anderen Kräfte schwingt. Der Balken wird bei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung gehalten. Änderungen der ausgeübten Kraft führen zu Änderungen der Resonanzfrequenz. Die Beziehung zwischen dem ausgeübten Druck P und der Schwingungsfrequenz lautet:
wobei TO die Schwingungsperiode bei einem Druck von Null ist, T die Schwingungsperiode bei einem Druck von P ist und A und B Kalibrierungskonstanten für den Wandler sind.
Diese Wandler können für Absolutdruckmessungen mit Messbereichen von 0–15 psia bis 0–900 psia (0–100 kPa bis 0–6 MPa) oder für Differenzdruckmessungen mit Messbereichen von 0–6 psid bis 0–40 psid (0–40 kPa bis 0–275 kPa) verwendet werden.
Induktive/reluktive Drucksensoren
Eine Reihe früher Drucksensor-Konstruktionen basierten auf magnetischen Phänomenen. Dazu gehörten die Verwendung von Induktivität, Reluktanz und Wirbelströmen. Induktivität ist die Eigenschaft eines Stromkreises, die die Größe der elektromotorischen Kraft (EMK) ausdrückt, die durch eine bestimmte Änderungsrate des Stromflusses im Stromkreis induziert wird. Reluktanz ist der Widerstand gegen den Magnetfluss, also der Widerstand, den ein magnetisches Material dem Magnetfluss entgegensetzt. In diesen Sensoren erzeugt eine Druckänderung eine Bewegung, die wiederum die Induktivität oder Reluktanz eines Stromkreises verändert. Abbildung 3-10A veranschaulicht die Verwendung eines linearen variablen Differentialtransformators (LVDT) als Arbeitselement eines Drucktransmitters. Der LVDT arbeitet nach dem Induktivitätsverhältnisprinzip. Bei dieser Konstruktion sind drei Spulen auf einem Isolierrohr mit einem Eisenkern verdrahtet, der durch den Drucksensor im Rohr positioniert wird.
Die Primärspule in der Mitte wird mit Wechselstrom gespeist, und wenn der Kern ebenfalls zentriert ist, werden in den Sekundärspulen (Nr. 1 und Nr. 2) gleiche Spannungen induziert. Da die Spulen in Reihe geschaltet sind, führt dieser Zustand zu einer Nullleistung. Wenn sich der Prozessdruck ändert und sich der Kern bewegt, ist die Differenz der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen proportional zum Druck, der die Bewegung verursacht.
LVDT-Druckmessumformer sind mit einer Genauigkeit von 0,5 % des Skalenendwerts und mit Messbereichen von 0–30 psig (0–210 kPa) bis 0–10.000 psig (0–70 MPa) erhältlich. Sie können Absolut-, Manometer- oder Differenzdrücke erfassen. Ihre Haupteinschränkungen sind die Anfälligkeit für mechanischen Verschleiß und die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und magnetischen Störungen.
Die Reluktanz entspricht dem Widerstand in einem Magnetkreis. Wenn eine Druckänderung die Lücken in den Magnetflusswegen der beiden Kerne verändert, steht das Verhältnis der Induktivitäten L1/L2 in Beziehung zur Änderung des Prozessdrucks (Abbildung 3-10B). Reluktanzbasierte Druckmessumformer haben ein sehr hohes Ausgangssignal (in der Größenordnung von 40 mV/Volt Erregung), müssen jedoch mit Wechselspannung erregt werden. Sie sind anfällig für Streumagnetfelder und Temperatureinflüsse von etwa 2 % pro 1000 °F. Aufgrund ihrer sehr hohen Ausgangssignale werden sie häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Auflösung über einen relativ kleinen Messbereich gewünscht ist. Sie können Messbereiche von 1 Zoll Wasser bis 10.000 psig (250 Pa bis 70 MPa) abdecken. Die typische Genauigkeit beträgt 0,5 % des Skalenendwerts.
Optisch
Optische Drucksensoren erfassen die Auswirkungen kleinster Bewegungen aufgrund von Änderungen des Prozessdrucks und erzeugen ein entsprechendes elektronisches Ausgangssignal (Abbildung 3-11). Als Lichtquelle wird eine Leuchtdiode (LED) verwendet, und eine Lamelle blockiert einen Teil des Lichts, wenn sie von der Membran bewegt wird. Wenn der Prozessdruck die Lamelle zwischen der Quelldiode und der Messdiode bewegt, ändert sich die Menge des empfangenen Infrarotlichts.
Die optischen Drucksensoren müssen die Alterung der LED-Lichtquelle durch eine Referenzdiode kompensieren, die niemals von der Lamelle blockiert wird. Diese Referenzdiode kompensiert auch das Signal für Ablagerungen von Schmutz oder anderen Beschichtungsmaterialien auf den optischen Oberflächen. Der optische Druckwandler ist unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen, da die Quelle, die Mess- und die Referenzdioden gleichermaßen von Temperaturänderungen betroffen sind. Da die für die Messung erforderliche Bewegung sehr gering ist (unter 0,5 mm), sind Hysterese- und Wiederholbarkeitsfehler nahezu null.
Optische Druckwandler erfordern nur wenig Wartung. Sie verfügen über eine ausgezeichnete Stabilität und sind für Langzeitmessungen ausgelegt. Sie sind mit Messbereichen von 5 psig bis 60.000 psig (35 kPa bis 413 MPa) und einer Genauigkeit von 0,1 % des Skalenendwerts erhältlich.
Praktische Überlegungen
In industriellen Anwendungen ist eine gute Wiederholbarkeit oft wichtiger als absolute Genauigkeit. Wenn die Prozessdrücke über einen großen Messbereich variieren, sind Drucksensoren mit guter Linearität und geringer Hysterese die bevorzugte Wahl. Differenzdrucksensoren sind ein Beispiel für einen Sensor, der häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt wird.
Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Prozesstemperatur verursachen ebenfalls Fehler bei Druckmessungen, insbesondere bei der Erfassung von niedrigen Drücken und kleinen Differenzdrücken. In solchen Anwendungen müssen Temperaturkompensatoren verwendet werden. Schwankungen in der Stromversorgung beeinträchtigen ebenfalls die Leistung von Druckmessumformern. Die Empfindlichkeit (S) eines Messumformers bestimmt die Größe der Änderung der Ausgangsspannung (VO), wenn sich die Versorgungsspannung (VS) ändert, wobei der gemessene Druck (Pm) und der Nenndruck des Messumformers (Pr) konstant bleiben:
In einem Messsystem kann der Gesamtfehler mit der Quadratwurzelmethode berechnet werden: Der Gesamtfehler entspricht der Quadratwurzel aus der Summe aller einzelnen Fehler zum Quadrat.
Auswahlkriterien
Druckwandler erzeugen in der Regel Ausgangssignale im Millivoltbereich (Messbereiche von 100 mV bis 250 mV). Bei Verwendung in Transmittern werden diese häufig auf den Spannungspegel (1 bis 5 V) verstärkt und in Stromschleifen umgewandelt, in der Regel 4-20 mA DC.
Das Gehäuse des Wandlers sollte so ausgewählt werden, dass es sowohl den Anforderungen der elektrischen Bereichsklassifizierung als auch den Korrosionsanforderungen der jeweiligen Installation entspricht. Der Korrosionsschutz muss sowohl Spritzer korrosiver Flüssigkeiten oder die Einwirkung korrosiver Gase auf die Außenseite des Gehäuses als auch die Einwirkung korrosiver Prozessmedien auf das Sensorelement berücksichtigen. Die Korrosionsanforderungen der Installation werden durch die Auswahl korrosionsbeständiger Materialien, Beschichtungen und durch den Einsatz chemischer Dichtungen erfüllt, die später in diesem Kapitel behandelt werden.
Befindet sich die Installation in einem Bereich, in dem explosive Dämpfe vorhanden sein können, müssen der Drucksensor und seine Stromversorgung für diese Umgebungen geeignet sein. Dies wird in der Regel entweder durch die Unterbringung in gespülten oder explosionsgeschützten Gehäusen oder durch die Verwendung eigensicherer Konstruktionen erreicht.
Die wohl wichtigste Entscheidung bei der Auswahl eines Druckmessumformers ist die Wahl des Messbereichs. Dabei müssen zwei gegensätzliche Aspekte berücksichtigt werden: die Genauigkeit des Geräts und sein Schutz vor Überdruck. Aus Sicht der Genauigkeit sollte der Messbereich eines Transmitters niedrig sein (normaler Betriebsdruck etwa in der Mitte des Messbereichs), damit der Fehler, in der Regel ein Prozentsatz des Skalenendwerts, minimiert wird. Andererseits muss man immer die Folgen von Überdruckschäden aufgrund von Fehlern im Betrieb, fehlerhafter Konstruktion (Wasserschlag) oder versäumter Isolierung des Geräts während der Druckprüfung und Inbetriebnahme berücksichtigen. Daher ist es wichtig, nicht nur den erforderlichen Messbereich, sondern auch den erforderlichen Überdruckschutz anzugeben.
Die meisten Druckmessgeräte sind mit einem Überdruckschutz von 50 % bis 200 % des Messbereichs ausgestattet (Abbildung 3-12). Diese Schutzvorrichtungen sind für die meisten Anwendungen ausreichend. Wenn höhere Überdrücke zu erwarten sind und diese nur vorübergehend auftreten (kurzzeitige Druckspitzen von wenigen Sekunden oder weniger), können Dämpfer installiert werden. Diese filtern Druckspitzen heraus, führen jedoch zu einer geringeren Reaktionsfähigkeit der Messung. Wenn ein übermäßiger Überdruck von längerer Dauer zu erwarten ist, kann der Sensor durch die Installation eines Überdruckventils geschützt werden. Dies führt jedoch zu einem Messverlust, wenn das Überdruckventil geöffnet ist.
Wenn der Transmitter bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden soll, kann das Gehäuse elektrisch (Peltier-Effekt) oder mit Wasser gekühlt oder in einen klimatisierten Bereich verlegt werden. Wenn Frosttemperaturen zu erwarten sind, sollte eine Widerstandsheizung oder eine Begleitheizung in Kombination mit einer Wärmeisolierung verwendet werden.
Bei hohen Prozesstemperaturen kann man verschiedene Methoden in Betracht ziehen, um das Druckmessgerät vom Prozess zu isolieren. Dazu gehören Schleifendichtungen, Siphons, chemische Dichtungen mit Kapillarrohren für die Fernmontage und Spülungen.
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Verfasst von: Dan Schultz
Aktualisiert am: 30. Oktober 2025
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Updated on: March 30, 2026