Passiv oder aktiv?

Der Autor: Daniel Hunold Produktmanager, Baumer

Drucksensoren kommen in Medien mit ganz unterschiedlicher Temperatur zum Einsatz, von der Kühlflüssigkeit über Motorenöl bis zu Wasser, das zu Sterilisationszwecken erhitzt wird. Konstrukteure und Anwender von Druckmessgeräten müssen sich im Klaren sein, dass die Medientemperatur die Messergebnisse massiv beeinflusst. Im Folgenden werden die Gründe für diesen Temperatureinfluss dargelegt und Möglichkeiten aufgezeigt, eine temperaturbedingte Verfälschung der Messergebnisse zu verhindern.

Das Messprinzip, mit dem nicht elektrische Größen wie Druck, aber auch Kraft oder Dehnung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, heißt resistives Messprinzip. Dabei werden zwei Paare von jeweils hintereinander geschalteten Widerständen auf einer sich verformenden Membrane angebracht. Die Membrane kann aus verschiedenen Trägermaterialien wie Keramik, Silizium oder Stahl bestehen. Als Querverbindung zwischen diesen beiden Paaren bildet das Spannungsmessgerät eine Brücke, weshalb man die gesamte Anordnung auch als Wheatstone-Messbrücke bezeichnet. Bereits eine geringfügige Verformung der Membrane führt zu einer Änderung der Widerstände, welche wiederum eine Spannung in der Messbrücke hervorruft.

Die Widerstände auf einem für die Druckmessung konzipierten Sensor ändern sich auch durch unterschiedliche Temperaturen. Daraus folgt: Ändert sich die Temperatur am Medium, so hat dies einen direkten Einfluss auf das gemessene Signal. Diesen Effekt nennt man in der Sensortechnik Temperaturkoeffizient (TK). Dieser Koeffizient beschreibt einen linearen Fehler ausgehend von einem Bezugspunkt, der der Abgleichtemperatur entspricht. Demnach ist der Temperaturfehler bei Abgleichtemperatur gleich null und nimmt mit zunehmendem Abstand zur Raumtemperatur theoretisch linear mit dem spezifizierten Koeffizienten zu. Dabei gilt: Je kleiner der Temperaturkoeffizient, desto hochwertiger der Drucksensor.

Der Temperaturkoeffizient wird für Spanne und Nullpunkt eines Sensors gesondert spezifiziert. Grundsätzlich müssen sowohl der Temperaturkoeffizient des Nullpunkts (TKN) als auch der der Spanne (TKS) einzeln berücksichtigt werden. Der Fehler des Nullpunkts beschreibt den Einfluss der Temperatur auf das Nullsignal. Der Fehler der Spanne gibt den Einfluss der Temperatur auf den Endwert der Messung an. Die einzelnen Temperaturkoeffizienten des Nullpunkts und der Spanne werden in der Regel als Beträge angegeben, das heißt sie können sowohl positiv als auch negativ sein. Besitzen demnach bei einem einzelnen Messgerät Nullpunkt- und Spannefehler dasselbe Vorzeichen, können sich im ungünstigsten Fall diese beiden Temperaturfehler addieren.

Ziel eines jeden Herstellers von hochwertigen Drucksensoren ist ein möglichst geringer Einfluss von TKN und TKS. Der typische Wert eines Baumer-Drucksensors der Baureihe PBMN für den mittleren Temperaturkoeffizienten, also den Mittelwert zwischen TKN und TKS, ist <0,02 % pro 10 Kelvin. Um den Einfluss der Temperaturkoeffizienten so klein wie möglich zu halten, bedient man sich in der Sensortechnik der sogenannten Temperaturkompensation. Dabei kommen je nach Anwendung zwei Verfahren zum Einsatz: passive und aktive Temperaturkompensation.

Der gängigste Weg, Temperaturfehler von Drucksensoren zu minimieren, ist eine passive Temperaturkompensation. Während des Herstellungsprozesses werden Teile der Kennlinie des Drucksensors bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Anschließend werden durch passive Elemente (Widerstände) in der Elektronik des Sensors oder durch Korrekturen an extra dafür bestimmten Widerstandsstrukturen direkt auf dem Sensorelement selbst (z. B. durch Laser-Trimmen) die zuvor ermittelten Temperaturfehler kompensiert. Weil die dafür eingesetzten (passiven) Widerstandselemente ein annähernd lineares Temperaturverhalten haben, lassen sich mit ihnen allerdings nur kleinere Abweichungen kompensieren.

Ein Vorteil dieser Methode liegt darin, dass sie kostengünstig zu realisieren ist und damit in Anwendungen mit etwas größerer Toleranz und geringen Temperaturschwankungen wie etwa bei Industrieanwendungen oder bei Anwendungen mit gleichbleibender Temperatur ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis ermöglicht. Baumer bietet entsprechende Druckmessumformer etwa in seiner PDxx-Reihe an. Geeignet ist die passive Temperaturkompensation auch für Anwendungen, bei denen die Temperaturschwankung von Natur aus begrenzt ist, etwa bei der Tiefenmessung in Gewässern mit Tauchsonden wie PSMN und PSSN von Baumer.

Auch bei der aktiven Temperaturkompensation wird während des Herstellungsprozesses die Kennlinie der Drucksensoren bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Innerhalb des Drucksensors ist aber zusätzlich ein Temperatursensor integriert, der permanent die Temperatur des Sensors misst und an dessen Signalverarbeitung weitergibt. In der Praxis haben sich zwei Verfahren der aktiven Temperaturkompensation durchgesetzt.

Die erste Methode kompensiert mithilfe von sogenannten „Stützstellen“, also Einzelkorrekturwerten, zwischen denen dann interpoliert wird. Die zweite hinterlegt in der Elektronik des Sensors eine durch Regression aus den aufgenommenen Messwerten gewonnene Gleichung höherer Ordnung, um den erwarteten Fehler stetig zu kompensieren. Mithilfe dieser Daten kann dann im Betrieb die Signalverarbeitung im Drucksensor innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs den Temperaturfehler aktiv, also selbstständig, kompensieren.

Die aktive Kompensation kommt nur bei sehr hochwertigen und dementsprechend leistungsfähigen Drucksensoren zum Einsatz, bei Baumer sind dies die Drucksensoren der PB-Familie. Aktiv kompensierte Drucksensoren von Baumer weisen in ihrem spezifizierten Temperaturbereich einen sehr geringen Temperaturfehler auf.

Aufgrund der jahrelangen Forschung und Entwicklung von Baumer im Bereich der Temperaturkompensation ist jedoch auch die Temperaturabweichung der einfacheren, passiv kompensierten Druckmessgeräte etwa um den Faktor 2 niedriger als bei vergleichbaren Produkten auf dem Markt.

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