Definition: Was leistet ein Differenzdrucksensor?

Differenzdruck ist der Druckunterschied zwischen zwei beliebigen Drücken. Differenzdrucksensoren besitzen daher zwei separate Druckanschlüsse, z. B. als Schlauch-, Manifold oder Gewindeanschluss. Signalverstärkte Differenzdrucksensoren können so ausgelegt werden, dass sie sowohl positive als auch negative Differenzdrücke messen (p1>p2 und p1<p2).

Diese Sensoren werden als bidirektionale Differenzdrucksensoren bezeichnet und messen z. B. von -1...+1 bar oder -2,5...+2,5 mbar. Im Gegensatz dazu arbeiten unidirektionale verstärkte Differenzdrucksensoren nur im positiven Bereich (p1>p2), z. B. von 0...1 bar oder 0...2,5 mbar, d. h. der höhere Druck muss immer an einem bestimmten, z. B. mit „Hochdruck" oder p1 bezeichneten Druckanschluss anliegen.

Die Funktionsweise von Differenzdrucksensoren

First Sensor bietet zwei verschiedene Technologien:

1. Piezoresistive (membranbasierte) Differenzdrucksensoren

Piezoresistive Drucksensoren auf Siliziumbasis bestehen aus einer dünnen Membran, in die Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke eingebettet sind. Bei einer Druckbelastung verändern sich die elektrischen Widerstände unter dem Einfluss der mechanischen Spannungen (piezoresistiver Effekt). Wird die Wheatstone-Brücke mit einer elektrischen Spannung versorgt, erhält man ein druckproportionales Sensor-Ausgangssignal.

Membranbasierter Differenzdrucksensor
Darstellung eines membranbasierten Differenzdrucksensors von First Sensor

Silizium bietet besondere Vorteile zur Herstellung piezoresistiver Drucksensorchips. Auf Grund seiner Einkristallstruktur zeigt es keine plastische Verformung, sondern kehrt nach einer Druckbelastung ohne Deformation in seinen Ursprungszustand zurück. Materialermüdung und Hystereseeffekte sind damit nahezu ausgeschlossen. Die Halbleiterwiderstände der Silizium-Membran reagieren sehr empfindlich schon auf kleinste Druckbelastungen bzw. Druckänderungen und erlauben Messbereiche von wenigen Millibar.

Aufbau Differenzdrucksensor
Prinzipieller Aufbau eines piezoresistiven Differenzdrucksensors

Die Membran-Differenzdrucksensoren von First Sensor bieten Messbereiche ab 1 mbar (100 Pa) bis 10 bar Messbereichsendwert, analoge und digitale Schnittstellen und sehr hohe Gesamtgenauigkeiten. Die Sensoren werden nicht von Luft durchströmt und erreichen besonders lineare Signal-Druck-Kennlinien.

Produktbeispiele: HTD, HCL, HCLA, HCE, HDI, HDO

2. Thermische (durchflussbasierte) Differenzdrucksensoren

Die durchflussbasierten Differenzdrucksensoren von First Sensor arbeiten nach dem Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung von Luft durch einen sehr kleinen, im Sensor-Chip integrierten Strömungskanal.

thermische Differenzdrucksensoren

Prinzip der Differenzdruckmessung mittels thermischer Massendurchflussmessung

Bei diesem Messprinzip ist ein Heizelement zwischen zwei temperaturempfindlichen Widerständen angeordnet, die sich stromaufwärts und stromabwärts befinden. Durch einen Gasstrom verschiebt sich das Temperaturprofil in Richtung des stromabwärts gelegenen Widerstands. Zwischen den beiden Widerständen ergibt sich eine Temperaturdifferenz, die ein zum Massendurchfluss proportionales Spannungssignal erzeugt. Da die Strömung durch den Sensor aufgrund des Druckunterschiedes zwischen den beiden Anschlüssen des Sensors verursacht wird, ist das Ausgangssignal auch ein Maß für den anliegenden Differenzdruck. 

Thermische Massendurchflussmessung
Prinzip der thermischen Massendurchflussmessung

Die Sensoren bieten eine sehr hohe Auflösung und kleinste Druckbereiche ab 0,25 mbar (25 Pa) Messbereichsendwert. Durch die Miniaturisierung und Integration des Strömungskanals auf Chip-Ebene besitzen die Sensoren sehr hohe pneumatische Widerstände und verhalten sich annähernd wie membranbasierte Drucksensoren. 

Aufbau Drucksensoren
Prinzipieller Aufbau der LDE/LME/LMI-Drucksensoren (Querschnitt)

In Anwendungen zur Differenzdruckmessung über einem Strömungselement fließt bis zu 1000-fach weniger Luft durch den Sensor als bei vergleichbaren Sensoren anderer Hersteller. 

Durchflussbasierte Differenzdrucksensoren von First Sensor sind daher sehr robust gegenüber staubbelasteter Luft und zeigen keine Veränderung der Messgenauigkeit durch die Verwendung von langen Verbindungsschläuchen und Filtern.

Produktbeispiele: LDE, LME, LMI

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Volumenstrommessung mit Differenzdrucksensor

Differenzdrucksensoren mit kleinen Druckbereichen von wenigen Millibar werden häufig zur Volumendurchflussmessung in Rohrleitungen und Strömungskanälen eingesetzt. Beispiele sind die Bestimmung des Atemflusses in der Medizintechnik sowie die Messung von Luftströmungen oder die Filterüberwachung in der Klimatechnik. 

Volumenstrommessung
Typische Anordnung zur Volumenstrommessung mit Differenzdrucksensor

Durch eine künstliche Verengung in der Strömungsleitung, z. B. mittels einer Blende oder eines laminaren Strömungselements, kommt es zu einem Druckabfall, der ein Maß für den Volumendurchfluss ist und mit einem Differenzdrucksensor gemessen werden kann. Zur Volumendurchflussmessung können sowohl membranbasierte als auch durchflussbasierte Differenzdrucksensoren eingesetzt werden.

Die durchflussbasierten LDE/LME/LMI-Sensoren von First Sensor sind auf Differenzdruck kalibriert und können den Druckabfall über einem Strömungselement wie oben beschrieben messen. Durch ihren sehr hohen pneumatischen Widerstand ergeben sich sehr geringe Gasflüsse durch den Sensor von max. 120 - 180 μl/min.

Daher verhalten sich die Sensoren in Anwendungen zur Volumendurchflussmessung annähernd wie membranbasierte Differenzdrucksensoren, bei denen kein Gasfluss durch den Sensor stattfindet. Sie bieten jedoch den Vorteil der hohen Empfindlichkeit nahe des Nullpunkts, wie er bei der thermischen Massendurchflussmessung typisch ist.

Mehr über die volumetrische Strömungsmessung als Anwendungsfall in der Klimatechnik lesen Sie im Blogbeitrag "4 Fragen zum Einsatz von Differenzdrucksensoren in HVAC-Systemen".

Branchen, in denen Differenzdrucksensoren zum Einsatz kommen:

Anwendungen Industrial

Produktübersicht: Differenzdrucksensoren im direkten Vergleich

Differenzdrucksensor Übersicht

Kundenspezifische Anpassungen und Entwicklungen

Globaler Wettbewerb, steigende Prozessanforderungen und neue Kundenwünsche stellen Sie als Hersteller anspruchsvoller Systeme vor immer neue Aufgaben? Suchen Sie nach Wegen, sich und Ihre Produkte zu differenzieren? Dies kann über noch präzisere und schnellere Messungen, eine effizientere, kostensenkende Integration, anwendungsspezifische Kombinationen von Messverfahren, spezielle Formfaktoren von Sensorsystemen und/oder höhere Zuverlässigkeit erfolgen.

Wenn Sie sich vom Wettbewerb differenzieren wollen, reichen Standardsensoren oft nicht mehr aus. Nachhaltige Anwendungs-, Qualitäts- und Kostenvorteile lassen sich nur mit kundenspezifischen Sensorsystemen erreichen und sichern.

Die Entwicklung von anwendungsspezifischen Sensorsystemen stellt Sie damit vor eine Make- or-b Buy-Entscheidung. Selbst wenn die Sensorik eine extrem wichtige Systemkomponente Ihrer angestrebten Lösung ist, wollen oder können Sie oft nicht die für solche Entwicklungen erforderlichen Entwicklungsressourcen und -kompetenzen bereitstellen.

Zu unseren Entwicklungs- und Produktionsdienstleistungen

Fazit: Vorteile von Differenzdrucksensoren und wichtige Kriterien

Differenzdrucksensoren sollten bestimmte Prozessanschlüsse bieten, mit denen der Sensor mit der Strömungsleitung z. B. über Schläuche verbunden werden kann. Auch zusätzliche Filter in den Zuleitungen sind bei vielen Anwendungen wichtig, um z. B. Staub, Feuchtigkeit oder bakterielle Verschmutzung vom Sensor fern zu halten.

Man kann zwischen piezoresistiven (membranbasierten) Differenzdrucksensoren und thermischen (durchflussbasierten) Differenzdrucksensoren unterscheiden. Differenzdrucksensoren werden häufig zur Volumendurchflussmessung eingesetzt, z. B. in der Medizintechnik und Klimatechnik.

Die durchflussbasierten LDE/LME/LMI-Drucksensoren von First Sensor sind sehr unempfindlich gegenüber Staub und eignen sich damit hervorragend für die Klimatechnik. Aufgrund ihres sehr hohen pneumatischen Widerstands ist die Strömung durch
den Sensor und seine Verbindungsschläuche extrem niedrig. So verhindern die LDE/LME/LMI-Differenzdrucksensoren das Eindringen von Staub in den Sensor und gewährleisten eine sehr hohe Lebensdauer unter Einhaltung aller Spezifikationen auch in staubbeladenen Anwendungen.

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