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Digitale Drucksensoren in Industrieumgebungen

23. Februar 2021, 15:45 Uhr | Nicole Wörner

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Digitale Sensoren spielen ihre Vorteile gegen Umweltrauschen aus

Elektromagnetisch verrauschte Umgebungen, zum Beispiel in der Nähe von Motoren, lange Kabelwege oder Funkquellen, können Signalstörungen für Komponenten wie Drucksensoren darstellen. Zur Vermeidung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) bei analogen Drucksensoren müssen die Designs eine geeignete Signalaufbereitung wie geerdete Metallabschirmung oder zusätzliche passive elektrische Komponenten enthalten, da elektrisches Rauschen fehlerhafte Signalanzeigen verursachen könnte. Alle Analogausgänge sind sehr anfällig für EMI; die Verwendung eines 4–20-mA-Analogausgangs kann jedoch helfen, diese Störungen zu umgehen.

Im Gegensatz dazu sind digitale Drucksensoren im Vergleich zu den analogen Äquivalenten nicht so anfällig für Umweltrauschen, sodass sie eine großartige Lösung für Anwendungen bieten, bei denen EMI ein Problem darstellt und der gewünschte Ausgang nicht speziell 4–20 mA ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass verschiedene Arten von digitalen Drucksensoren je nach Anwendung einen unterschiedlichen Grad an EMI-Robustheit bieten. Die digitalen Protokolle I2C und SPI eignen sich ideal für Kurzstrecken- oder Kompaktsysteme mit Kabellängen unter 5 m, obwohl die genaue zulässige Länge stark von der Art des Kabels und der verwendeten Pull-up-Widerstände abhängt. Für Systeme, die längere Kabelstrecken bis zu 30 m benötigen, wären CANopen (optionale Abschirmung) oder digitale IO-Link-Drucksensoren die beste Option für die EMI-Störfestigkeit, obwohl sie einen höheren Stromverbrauch als ihre I2C- und SPI-Pendants benötigen.

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Datenschutz mit CRC-Prüfung

Digitale Sensoren bieten die Möglichkeit, einen Cyclic Redundancy Check (CRC) in den Chip zu integrieren, um den Kunden die Gewissheit zu geben, dass sie sich auf die Signale verlassen können. Die CRC der Kommunikationsdaten ist zusätzlich zur Integritätsprüfung des internen Chip-Speichers vorhanden und ermöglicht Benutzern die hunderprozentige Validierung des Sensorausgangs, was ein zusätzliches Maß an Datenschutz für den Sensor bedeutet. CRC-Funktionen sind ideal für Drucksensoranwendungen in verrauschten Umgebungen wie z.B. bei der Installation in der Nähe eines Transmitters in einem Cloud-basierten System. In einem solchen Szenario besteht ein erhöhtes Risiko, dass Rauschen den Sensorchip stört und einen Bit-Flip erzeugt, der die Kommunikationsbotschaft verändern könnte. Der CRC über die Speicherintegrität schützt den internen Speicher vor solchen Beschädigungen und repariert ihn bei Bedarf.

Ebenso liefern einige digitale Sensoren auch einen zusätzlichen CRC auf die Datenkommunikation, der auf eine Verfälschung der zwischen Sensor und Controller übertragenen Daten hinweist und einen weiteren Versuch zur Beurteilung einer ordnungsgemäßen Sensorauslesung auslösen könnte. In einigen Fällen umgehen Endanwender dies, indem sie die Kommunikation mit dem Sensor mit der externen Kommunikation verschachteln (z.B. zur Cloud, zu einem Gateway oder einem Controller). CRC vereinfacht diesen Prozess und gibt dem Designer mehr Flexibilität. Zusätzlich zur Überprüfung der Datengültigkeit setzen einige Hersteller mehr Elektronik ein, die das Rauschen von Quellen wie WLAN, Bluetooth sowie GSM- und ISM-Bändern unterdrückt und so die Datengültigkeit weiter schützt.

Umsetzung intelligenter Wasserverteilungsnetze

Der Wasserverlust durch Lecks, Ungenauigkeiten bei der Messung, unbefugten Verbrauch oder eine Kombination dieser drei Faktoren ist eine ständige Herausforderung für große Wasserverteilungsnetze. Der Einsatz digitaler Drucksensoren mit geringem Stromverbrauch an Knotenpunkten des gesamten Verteilungsnetzes ist ein praktischer und kostengünstiger Ansatz zur Kartierung des Wasserverteilungsnetzes in einem bestimmten Gebiet und ermöglicht es den Versorgungsunternehmen, Gebiete mit unerwartetem Wasserverlust zu erkennen und anzuvisieren.

Ideal für diese Anwendungen geeignete Drucksensoren verfügen in der Regel über ein vollständig hermetisches Design, das der Schutzart IP69K entspricht, oder sind modular aufgebaut, um Kunden mehr Designflexibilität zu ermöglichen. Zur Vermeidung eines Eindringens von Wasser in den Sensor über dessen gesamte Lebensdauer verwenden einige Drucksensorhersteller eine Glas-Metall-Dichtungsverbindung. Eine Glas-Metall-Dichtung ist undurchlässig und schafft eine hermetische Abdichtung an der Oberseite des Sensors, was zur Einstufung des Sensors nach Schutzart IP69K beiträgt. Diese Dichtung bewirkt, dass der Sensor immer die Druckdifferenz zwischen dem, was sich in der Anwendung befindet, und der sie umgebenden Luft misst, wodurch eine Versatzdrift verhindert wird.

Verbesserte Konditionierung in Druckgassystemen

Drucksensoren spielen mehrere wichtige Rollen bei der Überwachung und dem Transport von Druckluft und medizinischem Gas in Verteilungsnetzen. Bei dieser Art von Anwendungen können Druckwandler für die Kompressorsteuerung und eine Vielzahl von Überwachungsfunktionen, einschließlich der Ein- und Ausgangsdurchflussrate, der Gasflaschenentleerung und des Luftfilterstatus, zuständig sein. Während ein Drucksignal allein eine indirekte Messung der Menge an Gaspartikeln an einer Stelle des Systems ermöglicht, liefert die Kombination aus Druck- und Temperaturrückmeldung, die digitale Drucksensoren liefern, eine deutlich verbesserte Schätzung der Gasmenge an der Stelle und damit eine bessere Systemkonditionierung und -überwachung. Dadurch können sich Systementwickler den idealen Arbeitsbedingungen für die Anwendung weiter annähern. Die Verwendung digitaler Drucksensoren in diesen Systemen kann die Erstellung benutzerdefinierter Dashboards ermöglichen, welche die Füllstände der Gasflaschen und ihre Positionen überwachen und es den Betreibern ermöglichen, Fehler effizienter zu beheben und das System zu warten.

Obwohl die Verwendung analoger Drucksensoren in bestimmten Installationen weiterhin am sinnvollsten ist, gibt es eine wachsende Zahl von Anwendungen in der Industrie 4.0, die von der Verwendung digitaler Gegenstücke zu analogen Sensoren profitieren. Von EMI-Störfestigkeit und skalierbarer Vernetzung bis hin zur Sensordiagnose und Datenschutz ermöglichen digitale Drucksensoren die Fernüberwachung und vorausschauende Wartung und erhöhen so die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems. Robuste Sensordesigns, die Spezifikationen wie IP69K-Einstufung, zusätzliche Datenintegritätsprüfungen und umfangreiche Bordelektronik für den EMI-Schutz aufweisen, tragen dazu bei, die Lebensdauer zu verlängern und potenzielle Signalfehler zu reduzieren.