Sensorik Füllstandsermittlung per Präzisions-Druckerfassung

Dieser Artikel beschreibt die Unterschiede zwischen modernen Drucksensoren und hebt dabei besonders die Vorzüge hervor, die sich aus den jüngst erzielten Fortschritten bei temperaturkompensierten MEMS-Drucksensoren ergeben. Inzwischen gibt es diese Sensoren zu vernünftigen Preisen und in unterschiedlichen Gehäusen, was sie für ein breites Spektrum von Anwendungen, so zum Beispiel für Füllstandsmesser, attraktiv macht.

Die moderne Druckmessung geht auf den italienischen Physiker Evangelista Torricelli zurück [1], der 1643 das Quecksilberbarometer erfand. Er füllte eine Glasröhre von einem Meter Länge mit Quecksilber, verschloss diese Röhre an einem Ende luftdicht und stellte sie mit der offenen Seite nach unten in ein mit Quecksilber gefülltes Gefäß.

Die Quecksilbersäule in der Röhre fiel daraufhin um etwa 760 Millimeter, während der Raum darüber leer blieb. Die nach Torricelli benannte Druckeinheit Torr entspricht einem Millimeter Quecksilbersäule und damit 1/760 des Normaldrucks. Im Allgemeinen wird der Blutdruck nach wie vor in Torr, also in Millimeter Quecksilbersäule, gemessen [2].

Heute misst man den Druck unter anderem in der abgeleiteten SI-Einheit Pascal (Pa). Dabei gilt 1 Pa = 1 N/m². Neben der früher gebräuchlichen Einheit bar (1 bar entspricht dem normalen Luftdruck auf der Erde) ist insbesondere in den USA die Einheit Pound pro Quadratzoll (Pound-Force per Square Inch - psi) üblich. Die Umrechnung zwischen den verschiedenen Einheiten ist aus technischen wie historischen Gründen teils recht umständlich, doch gibt es unter anderem im Internet geeignete Umrechnungstabellen und Hilfsprogramme.

Abhängig von der Messweise unterscheidet man zwischen zwei Arten von Drucksensoren: Ein absoluter Drucksensor misst den Druck bezogen auf den Druck des idealen Vakuums. Ein Beispiel für einen solchen absoluten Druckmesser ist das in Bild 1 gezeigte Quecksilberbarometer.

Ein differenzieller Drucksensor misst die Differenz zwischen zwei oder mehr Drücken, die auf die Eingänge des Sensors einwirken. Ein Anwendungsbeispiel für einen solchen Sensor ist der Differenzdruck-Durchflussmesser in Bild 2.

Abhängig von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Rohr ändert sich die Differenz zwischen den von P1 und P2 gemessenen Drücken (ΔP = P1 - P2). Als weitere Form des differenziellen Sensors ist das Manometer anzuführen, das einen Druck bezogen auf den atmosphärischen Druck misst.

Ein gängiges Beispiel hierfür ist der allseits bekannte Reifendruckmesser. Zeigt dieses Gerät einen Wert von Null an, so bedeutet es, dass an der gemessenen Stelle der normale atmosphärische Druck herrscht

Die Einführung des modernen Drucksensors

In vielen industriellen, kommerziellen und medizinischen Anwendungen ist es notwendig, Drücke über einen weiten Bereich hinweg mit einer Toleranz von ±1 %, ±0,1 % oder noch weniger zu messen. Dies muss außerdem möglichst kostengünstig und häufig außerdem mit sehr geringer Leistungsaufnahme geschehen.

Mit der Entwicklung des Silizium-Drucksensors ließen sich diese Anforderungen erfüllen. Das Zeitalter der modernen Sensoren begann 1967 im Honeywell Research Center, als Art R. Zias und John Egan das Patent für geätzte Siliziummembranen beantragten [3]. Seit Mitte der 1990er Jahre werden piezoresistive siliziumbasierte Drucksensoren auf Basis der MEMS-Technik kosteneffektiv in großen Stückzahlen hergestellt, so dass sich diese Bauelemente zu den meist verbreiteten Drucksensoren entwickelt haben. Als absolute und differenzielle Drucksensoren und Manometer können sie zum Messen von Drücken zwischen 100 mbar und 1.500 bar genutzt werden.

Piezoresistive Drucksensoren auf Siliziumbasis erreichen eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als herkömm-liche Dehnmessstreifen. Neben guter Linearität bei konstanter Temperatur zeichnen sie sich durch eine akzeptable Hysterese bis zur Zerstörungsgrenze aus. Allerdings sind diese Siliziumsensoren auch mit einigen Nachteilen behaftet. Dazu gehören die starke nichtlineare Temperaturabhängigkeit des Vollausschlag-Signals, der große Anfangs-Offset und die starke Offset Drift abhängig von der Temperatur [4].

Zahlreiche Anwendungen im Industrie- und Automobilbereich erfordern Druckmessungen in einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +125 °C. Um auch in diesem breiten Temperaturspektrum präzise Druckmessungen mit ±1 % oder besser vornehmen zu können, muss zumindest in erster Näherung eine Temperaturkompensation durchgeführt werden:

UDIFF= UOS+ T · αUos+ P · (S + T · αS)

Darin sind UDIFF die Spannungsdifferenz bezogen auf den Druck P und die Temperatur T, αS der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit und αUos der Temperaturkoeffizient des Offset.

Der Baustein MAX1450 von Maxim Integrated ist ein Beispiel für eine analoge Signalaufbereitung für piezoresistive Sensoren. Er kann für unkompensierte Sensoren eingesetzt werden und eignet sich für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +125 °C (Bild 3).

Einer neueren Generation entstammt der Baustein MAX1455. Dieses IC zur Aufbereitung von Sensorsignalen enthält eine programmierbare Sensorversorgung, einen 16-stufigen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA), ein internes EEPROM von 768 Bytes (6.144 bit) sowie vier 16-bit-D/A-Wandler zur Kompensation von FSO, Offsets und Messbereich [5].