Einführung in Staudrucksensoren

Piezoelektrische Drucksensoren messen den dynamischen Druck. Sie sind normalerweise nicht für statische Druckmessungen geeignet. Dynamische Druckmessungen, einschließlich Turbulenzen, Explosionen, Ballistik und Motorverbrennung, erfordern Sensoren mit besonderen Eigenschaften. Dazu gehören schnelles Ansprechverhalten, Robustheit, hohe Steifigkeit, erweiterte Messbereiche und die Fähigkeit, quasi statische Drücke zu messen. Dies sind die Standardmerkmale der PCB®-Quarzdrucksensoren.

PCB® stellt zwei Arten von Drucksensoren her. Drucksensoren im Ladungsmodus erzeugen einen hochohmigen Ladungsausgang. ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric)-Spannungssensoren haben eingebaute mikroelektronische Verstärker, die das hochohmige Ladungssignal in ein niederohmiges Spannungssignal umwandeln.

Piezoelektrische Drucksensoren sind in verschiedenen Formen und Gewindekonfigurationen erhältlich, um eine geeignete Montage für verschiedene Arten von Druckmessungen zu ermöglichen. In den meisten Sensoren werden Quarzkristalle verwendet, um einen stabilen, wiederholbaren Betrieb zu gewährleisten. Die Quarze sind in der Regel in den Gehäusen vorgespannt, um eine gute Linearität zu gewährleisten. Turmalin, ein weiterer stabiler natürlicher piezoelektrischer Kristall, kann in PCB-Sensoren verwendet werden, wenn eine volumetrische Empfindlichkeit erforderlich ist. Abbildung 1 zeigt einen Allzweck-Drucksensor mit eingebauter Elektronik.

Wenn ein ICP-Drucksensor mit einem positiven Druck beaufschlagt wird, gibt der Sensor eine positive Spannung ab. Die Polarität von PCB-Drucksensoren im Ladungsmodus ist umgekehrt: Wenn ein positiver Druck angelegt wird, gibt der Sensor eine negative Spannung aus. Sensoren mit Ladungsausgang werden normalerweise mit externen Ladungsverstärkern verwendet, die das Signal invertieren. Die resultierende Systemausgangspolarität eines Ladungsausgangssensors, der mit einem Ladungsverstärker verwendet wird, erzeugt ein Ausgangssignal, das mit dem eines ICP-Sensors identisch ist. Es sind auch Sensoren mit umgekehrter Polarität erhältlich.

Die meisten piezoelektrischen Drucksensoren auf Leiterplatten sind entweder mit Quarzkristallen im Kompressionsmodus, die in einem starren Gehäuse vorgespannt sind, oder mit frei beweglichen Turmalinkristallen aufgebaut. Diese Konstruktionen verleihen den Sensoren Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich und Resonanzfrequenzen im Bereich von Hunderten von Kilohertz, mit minimalem Überschwingen oder Klingeln.

Die mechanische Struktur des Drucksensors stellt eine hohe Frequenzgrenze dar. Die Empfindlichkeit nimmt schnell zu, wenn sich die Eigenfrequenz des Sensors nähert. Der Anstieg der Empfindlichkeit ist in Abbildung 2 dargestellt.

Es ist im Allgemeinen akzeptabel, Sensoren in einem Bereich zu verwenden, in dem die Empfindlichkeit um weniger als ± 5 % abweicht. Die obere Frequenzgrenze liegt bei etwa 20 % der Resonanzfrequenz des Sensors.

Der Hochfrequenzbereich kann durch Antriebsstrom, Kabellänge und Kabelkapazität begrenzt werden. Ausführlichere Informationen zur Ansteuerung langer Kabel finden Sie auf der Webseite PCB Driving Long Cables.

Der Niederfrequenzgang eines Drucksensors im Ladungsmodus wird durch den Ladungsverstärker bestimmt. Die Entladezeitkonstante (DTC) des Verstärkers, die den Niederfrequenzgang bestimmt, kann je nach verwendetem Ladungsverstärkermodell sehr lang oder sehr kurz sein. Eine längere DTC ermöglicht Messungen mit niedrigeren Frequenzen. Eine kürzere DTC schränkt den Tieffrequenzgang ein.

Die Werte für Innenwiderstand und Kapazität bestimmen die Entladezeitkonstante und den Niederfrequenzgang der ICP®-Drucksensoren. Die Entladezeitkonstante bestimmt den Niederfrequenzgang analog zur Wirkung eines R-C-Hochpassfilters erster Ordnung. Der DTC des Signalaufbereiters sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Er beeinflusst den Tieffrequenzgang des Gesamtsystems. Ausführliche Informationen finden Sie im Abschnitt Niederfrequenzgang von ICP®-Sensoren im Leitfaden zur allgemeinen Signalaufbereitung auf der Leiterplatte.

Die Quarzkristalle eines piezoelektrischen Drucksensors erzeugen eine Ladung, wenn Druck ausgeübt wird. Obwohl der elektrische Isolationswiderstand recht groß ist, geht die Ladung schließlich auf Null zurück. Die Geschwindigkeit, mit der die Ladung auf Null zurückgeht, hängt vom elektrischen Isolationswiderstand ab.

Bei einem Drucksensor im Ladungsmodus mit einem Spannungsverstärker wird die Leckrate durch die Kapazitäts- und Widerstandswerte im Sensor, im rauscharmen Kabel und im externen Source-Follower-Spannungsverstärker festgelegt. Wenn ein Drucksensor im Ladungsmodus mit einem Ladungsverstärker verwendet wird, wird die Leckrate durch den elektrischen Rückkopplungswiderstand und den Kondensator im Ladungsverstärker festgelegt.

Der Widerstand und die Kapazität des Kristalls und die eingebaute Elektronik bestimmen normalerweise die Leckrate in einem ICP®-Drucksensor.

Die Ausgangscharakteristik von piezoelektrischen Drucksensorsystemen ist die eines wechselstromgekoppelten Systems. Sich wiederholende Signale klingen ab, bis ein gleich großer Bereich oberhalb und unterhalb der ursprünglichen Basislinie vorhanden ist. Wenn die Größenordnung des überwachten Ereignisses schwankt, bleibt das Ausgangssignal um die Grundlinie stabilisiert, wobei die positiven und negativen Bereiche der Kurve gleich groß bleiben. Abbildung 3 zeigt ein AC-Signal, das dieser Kurve folgt.

In diesem Beispiel wird ein Ausgangssignal von 0 bis 2 Volt von einer AC-gekoppelten Druckanwendung mit einer stationären Impulsrate von einer Sekunde und einer Sekunde zwischen den Impulsen erzeugt. Die Frequenz bleibt konstant, aber das Signal fällt schnell negativ ab, bis sich das Signal um die ursprüngliche Basislinie zentriert (wobei Bereich A = Bereich B). Die Leistung von Spitze zu Spitze bleibt gleich.

Die präzise Montage von Drucksensoren ist für gute Messungen unerlässlich. Prüfen Sie immer die Installationszeichnungen, die im Handbuch mit dem Sensor mitgeliefert werden, oder wenden Sie sich an PCB, um detaillierte Montageanweisungen zu erhalten. Verwenden Sie gute Bearbeitungsmethoden für das Bohren und Gewindeschneiden der Montageanschlüsse und ziehen Sie die Sensoren mit den angegebenen Werten an. Das Montagematerial wird mit den PCB-Sensoren geliefert. Zur Vereinfachung einiger Sensorinstallationen sind verschiedene Standardgewindeadapter erhältlich.

Für Freifeld-Strahlungsanwendungen sollten aerodynamisch saubere Halterungen verwendet werden, um unerwünschte Reflexionen von Halterungen oder Stativen zu minimieren.

Die Sensorkristalle vieler Drucksensoren befinden sich an der Membranseite des Sensors. Eine seitliche Belastung dieses Teils des Sensors während einer Druckmessung führt zu Verzerrungen des Ausgangssignals.

Es ist wichtig, ungewöhnliche seitliche Belastungen des oberen Sensorteils zu vermeiden. Eine ordnungsgemäße Installation minimiert die Verzerrungen des Ausgangssignals. Zu den Ursachen für seitliche Belastungen des oberen Gehäuses gehören: ein gespanntes Kabel, das im rechten Winkel zum elektrischen Anschluss gezogen wird, und die Verwendung eines schweren Adapters mit einem Kabel, das an dem kleinen elektrischen Anschluss in einer Umgebung mit starken Querschwingungen befestigt ist.

Bei Anwendungen wie Freifeldmessungen kann ein in einer dünnen Platte montierter Drucksensor seitlich belastet werden, wenn der Druck die Platte verbiegt. Verwenden Sie eine O-Ring-Halterung, um diesen Effekt zu minimieren.

Die bündige Montage von Drucksensoren in einer Platte oder Wand ist wünschenswert, um Turbulenzen zu minimieren, einen Hohlraumeffekt zu vermeiden oder eine Vergrößerung des Kammervolumens zu verhindern. Eine versenkte Montage ist bei Anwendungen wünschenswert, bei denen die Membranseite des Drucksensors wahrscheinlich überhöhten Temperaturen oder dem Aufprall von Partikeln ausgesetzt ist. Der versenkte Einbau von Drucksensoren beeinträchtigt die Fähigkeit, hohe Frequenzen zu messen. Der Hohlraumeffekt dieser Art der Montage verringert in der Regel die Resonanzfrequenz des Sensors. Ausführlichere Informationen finden Sie unter Einführung in die Messung von Luftströmungen - Teil 2: Anschluss des Messwertaufnehmers. Siehe Abbildung 4 für eine typische Unterputz-Montage. Siehe Abbildung 5 für eine typische Unterputzinstallation.

Die meisten PCB-Drucksensoren werden mit Dichtungsringen für die Unterputzmontage geliefert. Bestimmte Modelle, wie die Serien 111, 112 und 113, können mit Dichtungsmanschetten für Einbaumontageanschlüsse geliefert werden. Fragen Sie bei der Bestellung nach Dichtungsmanschetten. Bestellen Sie genügend Ersatzdichtungsringe oder -hülsen für Anwendungen, die einen häufigen Aus- und Wiedereinbau des Drucksensors erfordern. Bevor Sie einen Drucksensor wieder einbauen, überprüfen Sie die Montageöffnung, um sicherzustellen, dass der alte, verzogene Dichtungsring aus der Montageöffnung entfernt wurde. Wenn Sie PCB® Drucksensoren verwenden und die Dichtungen verloren oder verlegt haben, rufen Sie PCB an und fordern Sie kostenlose Ersatzdichtungen an.

PCB hat verschiedene Montageadapter, die die Montage von Drucksensoren erleichtern. Bei Drucksensoren und Adaptern mit geraden Gewinden wird ein Dichtungsring als Druckdichtung verwendet. Adapter mit Rohrgewinde haben konische Gewinde, bei denen das Gewinde die Druckdichtung bildet. Ausführlichere Informationen zu Drucksensoradaptern und Zubehör finden Sie auf der Webseite PCB-Zubehör für Drucksensoren.

Die Kontrolle der Position der Drucksensormembran wird mit einer geraden Gewinde-/Dichtringbefestigung erreicht. Rohrgewindebefestigungen ermöglichen keine präzise Positionierung der Sensortiefe, da die Dichtung durch progressives Anziehen der Gewinde in der konischen Bohrung erreicht wird, bis der erforderliche Gewindeeingriff erreicht ist. Rohrgewinde bieten den Vorteil eines einfacher zu bearbeitenden Anschlusses als gerade Gewinde. Rohrgewindebefestigungen sind für einige allgemeine Anwendungen gut geeignet.

Zylinderdrücke in Kraftfahrzeugen, ballistische Drücke und Freifeldsprengungen sind Beispiele für Anwendungen, bei denen ein thermischer Schock den Druckimpuls begleitet. Der thermische Schock kann in Form von Strahlungswärme, wie z. B. dem Blitz einer Explosion, Wärme aus der Konvektion heißer Gase, die über eine Drucksensormembran strömen, oder konduktive Wärme aus einer heißen Flüssigkeit auftreten.

Praktisch alle Drucksensoren reagieren empfindlich auf Temperaturschocks. Wenn Hitze auf die Membran eines piezoelektrischen Drucksensors trifft, dessen Kristalle sich in einem äußeren Gehäuse befinden, kann die Hitze eine Ausdehnung des Gehäuses verursachen, das die inneren Kristalle umgibt. Obwohl Quarzkristalle nicht sonderlich empfindlich auf Wärmeschocks reagieren, führt die Ausdehnung des Gehäuses zu einer Verringerung der Vorspannkraft auf die Kristalle, was ein negatives Ausgangssignal zur Folge hat. Um diesen Effekt zu minimieren, werden verschiedene Methoden eingesetzt.

Bestimmte PCB-Quarz-Drucksensoren verfügen über eine interne thermische Isolierung, um die Auswirkungen von Temperaturschocks zu minimieren. Einige Modelle sind mit Schallwandmembranen ausgestattet. Andere, die auf eine Maximierung des Frequenzgangs ausgelegt sind, benötigen möglicherweise eine Wärmeschutzbeschichtung, eine versenkte Montage oder eine Kombination aus beidem, um die Auswirkungen von Wärmeschocks zu verringern. Zu den Beschichtungen gehören Silikonfett (kann auch zum Ausfüllen von Aussparungen verwendet werden), RTV-Silikonkautschuk, Vinyl-Elektroband und Keramik. RTV und Klebeband werden als Ablationsmittel verwendet, während die Keramikbeschichtung die Membranen vor korrosiven Gasen und dem Auftreffen von Partikeln schützt.

Andere Kristalle als Quarz werden in einigen PCB-Sensoren verwendet. Obwohl er empfindlich auf Temperaturschocks reagiert, wird Turmalin für Stoßrohr- und Unterwasser-Sensoren verwendet. Bei Stoßrohrmessungen ist die Dauer der Druckmessung in der Regel so kurz, dass eine Schicht Vinylband ausreicht, um die thermischen Effekte für die Dauer der Messung zu verzögern. Bei Unterwassersprengungen ist die Wärmeübertragung durch das Wasser nicht signifikant.

Thermoschockeffekte haben nichts mit der Spezifikation des Temperaturkoeffizienten des Drucksensors zu tun. Die Spezifikation des Temperaturkoeffizienten bezieht sich auf die Änderung der Empfindlichkeit des Sensors in Abhängigkeit von der statischen Temperatur des Sensors. Da die Auswirkungen von Temperaturschocks nicht einfach quantifiziert werden können, müssen sie antizipiert und durch eine der genannten Techniken minimiert werden, um bessere Messdaten zu gewährleisten.