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Wie funktioniert ein Drucktransmitter?

Um zu verstehen, wie ein Drucktransmitter funktioniert, genügt es, sich auf seine beiden Schlüsselelemente zu konzentrieren: Das eine ist der Drucksensor, der den Druck des Mediums erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Das andere ist ein anwendungsspezifischer integrierter Mikrochip. Er wird benötigt, um das erzeugte elektrische Signal in ein normiertes Ausgangssignal umzuwandeln.


Drucksensor

Der Drucksensor besteht aus einer Dünnfilm-auf-Stahl-Zelle (Abbildung 1) bei der die Widerstandsbrücken als dünner Film auf die Oberfläche eines Stahlsensorelements aufgebracht sind. Dieser dünne Film ist nur wenige Atomlagen dick. Wenn Druck auf den Drucksensor ausgeübt wird, verformt sich seine Membran an vordefinierten Punkten. Die Widerstände sind genau an diesen Punkten platziert und ändern ihren Wert, wenn sie gedehnt oder gestaucht werden. Es gibt vier Dehnungswiderstände auf dem Sensorelement. Je zwei Widerstände bilden einen Pfad.

In der Mitte kann eine Brücke gebildet werden, an der die Spannung gemessen werden kann. Diese Brücke wird Wheatstone-Brücke genannt. Wenn kein Druck vorhanden ist, haben alle Widerstände den gleichen Wert, so dass zwischen dem linken und dem rechten Pfad keine Spannung anliegt. Wenn der Druck die Membran verformt, werden zwei Widerstände zusammengedrückt und zwei Widerstände gedehnt (Abbildung 2 und 3). Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand in den gedehnten Bereichen. Andererseits nimmt der Druck in den komprimierten Bereichen ab. Dadurch ändert sich der Zustand der Widerstandsbrücke, und es wird ein Signal erzeugt. Das gemessene Signal ist jedoch nicht linear und variiert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Das liegt daran, dass die Temperatur einen starken Einfluss auf den Widerstand der Brücke hat (Abbildung 4).

Drucksensor; ein Dünnfilm auf Stahl Sensorelement mit Widerstandsbrücken.s.
Abbildung 1: Drucksensor; ein Dünnfilm auf Stahl Sensorelement mit Widerstandsbrücken.
Schematische Darstellung der Wheatstone-Brücke mit ihren vier Widerständen.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Wheatstone-Brücke mit ihren vier Widerständen.
Wenn Druck ausgeübt wird, werden zwei Widerstände gedehnt (oben) und zwei gestaucht (unten).
Abbildung 3: Wenn Druck ausgeübt wird, werden zwei Widerstände gedehnt (oben) und zwei gestaucht (unten).
Diagramm "Output/Signal": Das gemessene Signal variiert mit der Temperatur. Um dies zu korrigieren, ist eine intelligente Elektronik erforderlich.
Abbildung 4: Das gemessene Signal variiert mit der Temperatur. Um dies zu korrigieren, ist eine intelligente Elektronik erforderlich.
Der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis, ASIC, ist in der Abbildung als schwarzer Würfel mit den Bezeichnungen "trafag" und "TX" sichtbar. Er ist über Lötpunkte mit der Platine verbunden. Seine Aufgabe ist das Korrigieren und Verstärken der geme
Abbildung 5: Der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis, ASIC, ist in der Abbildung als schwarzer Würfel mit den Bezeichnungen „trafag“ und „TX“ sichtbar. Er ist über Lötpunkte mit der Platine verbunden.

Anwendungsspezifischer Mikrochip

Um aus dem gemessenen Signal ein lineares, genaues und temperaturunabhängiges Messsignal zu erhalten, ist eine intelligente Elektronik erforderlich. Die Elektronik korrigiert und verstärkt das Messsignal. So wird beispielsweise ein 10-Millivolt-Signal in ein 10-Volt-Signal umgewandelt. Die ermittelten Korrekturwerte werden in dem anwendungsspezifischen Mikrochip (auch anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, ASIC genannt, Abbildung 5) gespeichert. Diese Werte werden für jeden Drucktransmitter einzeln ermittelt und gespeichert. Um die Korrekturwerte zu ermitteln, wird ein genau definierter Druck auf den fertig montierten Drucktransmitter ausgeübt und das Signal gemessen. Für den angewandten Druck können die Korrekturwerte berechnet werden. Dieser Vorgang wird dann bei verschiedenen Temperaturen wiederholt. So lassen sich die Korrekturwerte für die Temperaturkompensation ermitteln. Die auf diese Weise ermittelten Korrekturwerte werden dann im Chip gespeichert. So kann aus dem Rohsignal der Messzelle ein lineares und standardisiertes Messsignal erzeugt werden. Und das über den gesamten Druck- und Temperaturbereich hinweg (Abbildung 6). Dieses standardisierte Messsignal kann an übergeordnete Kontrollsysteme übermittelt werden.

Der anwendungsspezifische Mikrochip (ASIC) beherbergt Millionen von Schaltkreisen auf einer Fläche von etwa 2,5 x 2,5 Millimetern. Lötpunkte stellen den Kontakt zwischen dem Chip und der Elektronik des Drucktransmitters her (Abbildung 7).

Der ASIC enthält Millionen von Schaltkreisen auf einer Fläche von etwa 2,5 x 2,5 Millimetern. Die Lötpunkte (grau-blaue Kreise im Bild) stellen den Kontakt zwischen dem Chip und der Elektronik des Drucktransmitters her.
Abbildung 7: Der ASIC enthält Millionen von Schaltkreisen auf einer Fläche von etwa 2,5 x 2,5 Millimetern. Die Lötpunkte (grau-blaue Kreise im Bild) stellen den Kontakt zwischen dem Chip und der Elektronik des Drucktransmitters her.
Diagramme: Das Rohsignal (links) und die Korrekturwerte (Mitte) werden addiert, um das standardisierte Ausgangssignal (rechts) zu erhalten.
Abbildung 6: Das Rohsignal (links) und die Korrekturwerte (Mitte) werden addiert, um das standardisierte Ausgangssignal (rechts) zu erhalten.

Fazit

Die besten Messergebnisse werden erzielt, wenn die Messzelle und der Mikrochip genau aufeinander abgestimmt sind. Aus diesem Grund produziert Trafag seine eigenen Messzellen und hat einen eigenen ASIC entwickelt. Durch die Entwicklung dieser beiden Schlüsselkomponenten unter einem Dach funktioniert der Drucktransmitter optimal, und Qualität und Zuverlässigkeit können garantiert werden.