Tipps zur Auswahl des richtigen Bauelementes

Druckschalter und Drucksensoren sind die unbekannten Helden in pneumatischen Schalt- und Steuersystemen. Dank ihrer Auslegung auf eine präzise und zuverlässige Funktion selbst unter rauen Umgebungsbedingungen über Jahre und selbst Jahrzehnte hinweg fallen sie so gut wie nie aus. Für erfahrene Konstrukteure ist es eine Binsenweisheit, dass diesen Bauteilen besondere Aufmerksamkeit gelten muss, damit der von ihnen ausgewählte Schalter oder Sensor auch wirklich die optimale Kombination aus Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten für die jeweilige Anwendung liefert.

Druckluftanlage bei einem Roboter. Drucksensoren werden zur präzisen Positionierung von Aktoren in einem pneumatischen System verwendet. Bild: DaBe86/Shutterstock.com

Kompressorstation in einer Fabrik. Drucksensoren werden in dem Regelkreis verwendet, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Kompressors zu gewährleisten. Bild: Vereshchagin Dmitry/Shutterstock.com

Obwohl es nur eine Handvoll grundlegender Typen von Sensoren und Schaltern gibt, ist der Auswahlprozess nicht immer so einfach, wie es den Anschein haben könnte. Jeder Schaltertyp ist nahezu unzähligen Kombinationen aus Gehäusen, Anschlüssen, Druckbereichen, elektrischen Ausgängen und Steckverbindertypen erhältlich, sodass die Auswahl des richtigen Bauteils für einen konkreten Job zu einer anspruchsvollen und zeitaufwendigen Aufgabe werden kann.

Daher ist das Wissen, wie Drucksensoren arbeiten, wie sie aufgebaut sind und wie sich ihre Konstruktion auf die Eignung eines bestimmten Drucksensors für eine konkrete Anwendung auswirkt, von entscheidender Bedeutung.

Pneumatische Systeme

Ganz gleich, ob sie zur Steuerung einer Hochgeschwindigkeits-Fertigungsanlage beitragen oder die verschiedenen Eingangs- und Ausgangsdrücke in einem Luftkompressor überwachen, um dessen Leistung und Wirkungsgrad zu optimieren: Druckmessbausteine spielen eine entscheidende Rolle in jeder pneumatischen (und hydraulischen) Anwendung.

Industriemaschinen und Fertigungsanlagen hängen von Pneumatikschaltern und -sensoren ab, denn erst ihre Informationen ermöglichen die präzise Bewegung und den genau dosierten Kraftaufwand, der für eine bestimmte Aufgabe vonnöten ist.

In großen Heiz- und Klimaanlagen sind sie Bestandteil des pneumatischen Signalnetzwerks, welches die Thermostaten und Steuerungselement des Gebäudes mit den Lüftern, Brennern, Pumpen und Kompressoren miteinander verbindet. Druckschalter und -sensoren sind auch in den Steuer- und Sicherheitsfunktionen des Bremssystems von Zügen, Lkws, Flugzeugen und anderen Transportmitteln anzutreffen.

Und obwohl die Druckmessbausteine, die in diesen Beispielen Erwähnung fanden, auf nahezu gleichen Betriebsprinzipien basieren, unterscheiden sich ihre Empfindlichkeitsbereiche, Leistungsanforderungen und Betriebsbedingungen doch so stark voneinander wie auch die Druckmesslösungen, die für die Befriedigung einer bestimmten Nachfrage verfügbar sind.

Druckschalter und Drucksensoren

Druckmessbausteine lassen sich in zwei grobe Kategorien einteilen: Druckschalter und Drucksensoren.

Druckschalter sind relativ einfache Bauteile, die angeben, ob der von ihnen erfasste Druck entweder über oder unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Ihre Ausgabe ist ein Zustandswechsel eines Ein-/Aus-Schalters beziehungsweise ein zweistufiges elektrisches Signal. Ein typischer Druckschalter besteht aus einem Kontakt, der durch eine Membran oder einen Kolben angesteuert wird. Die Membran beziehungsweise der Kolben wird durch das überwachte gasförmige oder flüssige Medium in eine Richtung gedrückt, und eine vorgespannte Feder sorgt dafür, dass sie wieder in die entgegengesetzte Richtung gedrückt werden.

Der Schalterkontakt wechselt den Status, wenn der Druck an der Einlassseite des Schalters den Druck übersteigt, der durch die Feder von der anderen Seite ausgeübt wird. Und umgekehrt kehrt der Schalter wieder in seinen Ausgangsstatus zurück, wenn der Einlassdruck unter einen vorgegebenen Schwellenwert abfällt. Aufgrund eines als Hysterese bezeichneten Phänomens muss dieser Schwellenwert nicht unbedingt identisch mit dem Betätigungspegel sein. In einigen Fällen kann diese Hysterese zur Stabilisierung pneumatischer Systeme ausgenutzt werden.

Drucksensoren sind im Gegensatz dazu analoge oder digitale Bausteine, die einen kontinuierlich variierenden Wert ausgeben (zum Beispiel Spannung, Stromstärke, Widerstand, I2C), der proportional zum Druck ist, den sie an ihrem Eingang messen. Es gibt verschiedene Arten von Bausteinen, die einen mechanischen Druck in ein messbares elektrisches Signal umwandeln können, darunter piezoresistive Sensoren, deren Leistungsfähigkeit, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit sie zu den am häufigsten verwendeten Sensoren für viele Anwendungen werden ließen.

Tendenz zum Drift

Die Trustability Pressure Sensors von Honeywell kombinieren hohe Empfindlichkeit mit hohem Über- und Berstdruck – zwei Leistungsfaktoren, die in einem Produkt schwer zu vereinen sind. Bild: Honeywell

Piezoresistive Sensoren basieren auf dem Prinzip, dass bestimmte Halbleitermaterialien wie zum Beispiel Silizium unter mechanischer Belastung oder Verbiegung ihren Widerstand ändern. Diese piezoresistiven Elemente sind auf einem Silizium-Chip befestigt, der mit einem mechanischen Messelement (zum Beispiel einer Membran) verbunden ist oder als das eigentliche Messinstrument verwendet wird. Wenn die piezoresistiven Elemente in einer Brückenschaltung verwendet werden (etwa in einem Sensor zur Belastungsmessung von Drahtwendeln), entsteht ein analoges Spannungssignal, proportional zum angelegten Druck.

Wie die meisten Sensoren reagieren piezoresistive Sensoren nicht linear auf die Druckstimulierung. Es gibt bei ihnen auch eine Tendenz zur Drift im zeitlichen Verlauf oder als Reaktion auf wechselnde Umgebungsbedingungen. Diese Drift und die Nichtlinearität wurden bisher durch externe Vorrichtungen korrigiert.

Heute enthalten jedoch viele moderne Sensoren bereits Elektronikschaltungen, von denen das Rohsignal des Sensorelements linearisiert und in eine oder mehrere Standardbereiche der elektrischen Spannung oder Stromstärke umgewandelt wird. Viele dieser Bausteine bieten auch bereits ein bestimmtes Maß an Stabilisierung gegen die temperatur- und zeitbedingte Drift.

Es gibt einige Anwendungen – speziell solche, bei denen es um die Erkennung eines oberen oder unteren Druckschwellenwerts geht –, wo die Entscheidung für das am besten geeignete Bauelement ziemlich schwierig sein kann. Am deutlichsten wird das bei neuen Produkten oder radikalen Überarbeitungen bestehender Konstruktionen. Das Problem ist eher unbedeutender bei Kompressoren, pneumatischen Steuerungssystemen oder vielen anderen ausgereiften Produkten und Anwendungen, deren Anforderungen bereits klar definiert sind.

Bei nahezu jedem Konstruktionsprojekt ist jedoch eine gründliche Abwägung Ihrer Optionen sehr zu empfehlen (siehe Kasten Orientierungshilfe). Manchmal kann ein neuer Blick auf eine ausgereiften Konstruktion frische Einblicke ermöglichen und zu unerwarteten Verbesserungen führen.

Abstimmen auf Ihre Anwendung

Wenn für Ihre Konstruktion tatsächlich ein Drucksensor benötigt wird, besteht der Trick bei der Auswahl des richtigen Bauelements darin, nur die Leistungs- und Funktionsparameter einzukaufen und kein Geld für nicht benötigte Parameter auszugeben. Allerdings ist das in der Praxis nicht immer so einfach, wie es den Anschein erweckt. Doch die folgende Liste der Auswahlkriterien kann Ihnen dabei helfen. Wählen Sie zunächst die für Ihre Anwendung relevanten Kriterien aus, und fügen Sie dann die Werte hinzu, die Ihren Anforderungen entsprechen.

Beginnen wir beim Druckbereich:

• Wie hoch sind die maximalen und minimalen Drücke, die Sie für Ihre Anwendung erwarten?
• Müssen Sie die Bereichsanforderungen noch über und unter Ihre formalen Anforderungen hinaus erweitern, um unvorhergesehene Bedingungen abzudecken?
• Welche Maßeinheiten sollen verwendet werden (psi, bar, Zoll Wassersäule und so weiter)?
• Wie präzise müssen die Druckmesswerte sein?
• Wie groß ist das maximale Gesamtfehlerband (Total Error Band, TEB), das Ihre Anwendung tolerieren kann?
• Soll der Sensor seine Messwerte als Spannung, Stromstärke oder Widerstand ausgeben?
• Wie groß ist der Ausgabebereich, den Sie vom Sensor benötigen, und in welchen Maßeinheiten muss er vorliegen?

Nun zum elektrischen und EMV-Schutz:

Wie groß sind die extremsten Systemspannungen, denen der Sensor ausgesetzt sein könnte, und wo liegt das Maximum der elektromagnetischen Störfestigkeit (EMV), unter dem Ihre Anwendung zuverlässig funktionsfähig sein muss?

• Wie hoch sind die Höchstwerte bei EMV und extremer Spannung, die die Sensoren in Ihrer Anwendungen ohne Schäden überleben müssen?
• Je nach Einsatzgebiet Ihres Geräts: Wo liegt der erforderliche Betriebstemperaturbereich?
• Welches Ausmaß an Erschütterungen und Vibrationen muss der Sensor tolerieren können?
• Welcher Schutzart muss der Sensor entsprechen, um unter den Anwendungsbedingungen arbeiten zu können?
• Und schließlich bei der Medienkompatibilität: Wo liegt die Temperatur des gemessenen Mediums, und handelt es sich um ein korrosives Medium?

Gehäuseoptionen

Die andere große Überlegung ist ganz praktischer Natur: die Gehäuse- und Montageoptionen. Die bereits berücksichtigten Kriterien zu Umgebungsbedingungen, Medienkompatibilität und Mechanik liefern Ihnen bereits eine Menge an Orientierung, wenn es um die Gehäuseanforderungen für einen eigenständigen Sensor geht. Für einige Anwendungen könnte es sich jedoch lohnen, einen Sensor für die Leiterplattenmontage in Erwägung zu ziehen, der sich an derselben Stelle befindet wie die sonstige Elektronik der Anwendung.

Drucksensoren in Leiterplattenmontage können für platzsparende Lösungen sorgen. Dabei gewähren spezielle Anschlussoptionen dem Sensor Zugriff auf das zu überwachende gasförmige oder flüssige Medium, während er sich in der relativ geschützten Umgebung des Elektronikmoduls befindet.

Und schließlich müssen sich Konstrukteure über die Anforderungen im Hinblick auf die mechanische und elektrische Schnittstelle und die elektrischen Anschlüsse im Klaren sein: Sind für die Anwendung bestimmte Befestigungsöffnungen, Bügel oder andere feste Stellen erforderlich, an denen der Sensor angebracht werden muss? Wenn das der Fall ist: Welche Öffnungen, Flansche oder anderen Merkmale muss das Sensorgehäuse aufweisen, um am erforderlichen Platz montiert werden zu können? Welche Arten von Druckeinspeisungsanschlüssen und elektrischen Steckverbindern muss der Sensor haben?

Sie müssen auch einige grundlegende Fragen stellen: Birgt die Betriebsumgebung irgendwelchen zusätzlichen Herausforderungen bezüglich Vibration, schnelle Temperaturwechsel oder korrosive Dämpfe in sich? Welche Art von Druck müssen Sie messen (das heißt Absolut-, Differenz- oder Relativdruck)? Und welche Größen- und Preisbeschränkungen sind vorgegeben?

Fazit

Wenn Sie sich über diese grundlegenden Fragen im Klaren sind, ist die Auswahl des richtigen Sensors viel einfacher, und Sie können viel besser durch das Labyrinth der Auswahlmöglichkeiten navigieren, auf die Sie bei Ihrer Suche nach der geeigneten Druckmesslösung für eine Anwendung stoßen werden.

Natürlich sind die Kenntnis dessen, was die Anwendung macht, wie sie es macht und unter welchen Umgebungsbedingungen sie eingesetzt werden soll, eine Grundvoraussetzung. Verschaffen Sie sich von Anfang an ein klares Bild, dann engen sich die Suchergebnisse auf eine Handvoll Auswahloptionen ein, aus denen Sie genau die Mischung an Leistungseigenschaften, Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten auswählen können, die am besten zu Ihren Konstruktionszielen passt. jl

Autoren: Bryan Hovey und Leslie Neill, Honeywell Sensing and Control

Orientierungshilfe

Die neuen Honeywell Druckschalter senken die Gesamtbetriebskosten und schützen Bediener und kritische Anlagenteilsysteme. Bild: Honeywell

Druckschalter

Vorteile:

• einfacher Mechanismus sorgt für geringe Kosten und hohe Zuverlässigkeit
• unkomplizierte Ausgabe vereinfacht die Schnittstelle
• bietet konsistente und zuverlässige Leistung bei guter Wiederholbarkeit
• verfügbar in ultrakompakten Formfaktoren
• werkseitig eingestellte Schwellenwerte können unveränderlich oder am Einsatzort einstellbar sein.

Nachteile:

• reines Ein-/Aus-Signal liefert nur Schwellenwertalarme, keine detaillierten oder trendbezogenen Informationen verfügbar
• selbst bei den haltbarsten mechanischen Schaltern kommt es schließlich zum Verschleiß
• bei Schaltern besteht ein gewisses Risiko für Kontaktprellen und/oder Hysterese.

Drucksensoren

Vorteile:

• liefern kontinuierliche Echtzeit-Druckinformationen für Sicherheits- und Steuerungssysteme, was die Nutzung erweiterter Algorithmen und Trendanalysen ermöglicht
• verfügbar in einer breiten Palette von Messtechnologien, die genau auf die Präzisions- und Bereichsanforderungen Ihrer Kons-truktion abgestimmt werden können
• breite Auswahl an Ausgabeformaten und -bereichen
• moderne Sensoren können Signalaufbereitungselektronik enthalten, die für hochpräzise Linearisierung und Kompensation sorgt.

Nachteile:

• allgemein teurer als ein Schalter, der den äquivalenten Umgebungs- und Zuverlässigkeitsvorgaben entspricht
• Analogausgaben können anfälliger gegenüber Störstrahlungen und anderen elektrischen Störungen sein als ein Ein-/Aus-Signal
• die Integration eines Drucksensors würde bedeuten, dass das Steuerungssystem in der Lage sein muss, eine kontinuierliche Ausgabe zu akzeptieren.