Druck ist eine physikalische Einheit, bei der es um eine Kraft geht, die auf einer Fläche wirkt. Physiker sprechen hierbei von der Formel Druck gleich Kraft durch Flächeninhalt (p=F/A), während Kraft gleich Masse mal Geschwindigkeit (F=m×V) ist. Drucksensoren messen den Grad der Krafteinwirkung auf einer Fläche, die durch bestimmte Gase und Flüssigkeiten hervorgerufen wird. Ursächlich für die Messung ist immer ein druckempfindliches Element, das auf eine messbare Weise auf Druck reagiert. Der Druck kann absolut, relativ und als Differenz (durch Veränderungen des Drucks) erfasst werden.
Die Geschichte der Drucksensoren
Historisch beginnt die Geschichte der Drucksensoren im 17. Jahrhundert mit den Forschungen Galileo Galileis zur hydraulischen Pumpe zur Überwindung von Höhenunterschieden in der Landwirtschaft. Evangelista Torricelli übertrug die Fallgesetze Galileis auf ausströmende Flüssigkeiten und erfand das noch heute beliebte Thermometer auf Basis von Quecksilber. Blaise Pascal konnte bereits das Gewicht der Luft bestimmen und entdeckte auf dieser Grundlage das Wesen des Luftdrucks. Ihm zu Ehren ist die SI-Einheit des Drucks nach ihm benannt. Zulässig ist ebenfalls die Maßeinheit Bar.
Welche Drucksensoren gibt es?
Da jedes Gas und jede Flüssigkeit nicht nur mit Blick auf die Dichte unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, gibt es je nach Verwendung unterschiedliche Arten von Drucksensoren, die im Fachhandel von Anbietern wie Sensirion erworben werden können. Die Bandbreite umfasst kapazitive, induktive, piezoelektrische und piezoresistive Messgeräte.
Wir stellen die Eigenheit der unterschiedlichen Messsysteme vor. Wichtig zum Verständnis ist, dass sämtliche Drucksensoren darauf basieren, Druck in elektrische Signale umzuwandeln, mithilfe derer sich der Grad des Drucks bestimmen lässt.
Kapazitive Drucksensoren
Bei kapazitiven Druckdetektoren lassen sich anhand des Abstandes zweier Kondensatorplatten in einem Siliziumchip zueinander Veränderungen des Drucks wahrnehmen. Der Name rührt daher, dass die Kapazität des Drucks für seine Bestimmung entscheidend ist.
Induktive Drucksensoren
Die Bestimmung des Drucks läuft bei induktiven Drucksensoren berührungslos ab. Hier wirken sich Veränderungen des Drucks dadurch aus, dass sich eine Membran unterschiedlich stark verformt, was wiederum andere Auswirkungen auf den Eisenkern ausübt, der auf der Membran platziert ist. Diese Unterschiede lassen sich durch eine automatisierte Analyse des elektromagnetischen Wechselfeldes ermitteln.
Piezoelektrische Drucksensoren
Piezoelektrisch Vorgänge wirken sich durch Veränderungen der elektrischen Spannung durch elastische Verformungen aus. Jede Verformung des Kristalls ermöglicht die Herleitung der elektrischen Spannung. Die Druckmessung durch piezoelektrische Sensoren eignet sich bei dynamischen Messungen ab 100 Kilohertz (kHz).
Piezoresistive Drucksensoren
Bei piezoresistiven Drucksensoren wird der Druck in einem Raum oder Medium anhand von Halbleiterchips oder Dehnungsstreifen erfasst. Auch hier wirkt sich der Grad der Verformung in einem messbaren Verhältnis auf den Grad des elektrischen Widerstandes aus.
Die Vielfalt moderner Drucksensoren lässt sich wunderbar durch einen Blick auf das Angebotsspektrum von Sensirion erfassen, denn jeder Sensirion Drucksensor weist rund um seinen Verwendungszweck sein eigenes Leistungsprofil auf.
Unterschiede in der Vorgehensweise von Drucksensoren
Während absolute Drucksensoren als Referenzwert immer ein Vakuum haben, weisen relative Drucksensoren den Umgebungsdruck als Vergleichsmaßstab auf. Drucksensoren auf Basis der Differenz haben hingegen die Funktion, Veränderungen des Drucks zu detektieren und anzuzeigen. Es ist möglich, dass ein Gerät mehrere Messsysteme beherrscht.
Wo werden Drucksensoren verwendet?
Die Fähigkeit, durch Drucksensoren den Druck auf verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu bestimmen, bietet in der Industrie unterschiedliche Betätigungsfelder. Beliebte Beispiele für Anwendungen sind folgende:
- Meteorologie
- Kühlsysteme
- Tankstellen
- Kaffeemaschinen
- Wasserstandsanzeiger in Haushaltsgeräten
- Überwachung des Sauerstoffgehalts im Blut
- Beatmungsmaschinen
- Halbleiterfertigung
- Alarmanlagen
- Hydraulik
- Bestimmung des Radongehalts in Gebäuden
- Motorsport
- Messung des Schalldrucks
Drucksensoren stehen für Fortschritt
Drucksensoren sind hochkomplexe Systeme, die für verschiedene Anforderungen in der Forschung, Medizin und Industrie geeignet sind. Sie leisten den Unternehmen und Wissenschaftlern wertvolle Dienste und tragen entscheidend zum technologischen Fortschritt in unserer hochkomplexen Lebenswelt bei, in der nur noch ein Element Bestand hat: der Wandel.
