Messung von Druck

Luftdruck ist Bezugsgröße: Einordnung von Messungen, Differenzdruckmessung, wichtige Prozessgröße

Charaktisierung eines Systems:

• Thermodynamische Zustandsgröße

• Umwelt und Wetter

Druck ist Kraft pro Fläche

• Betrag der Kraft welche senkrecht zur Oberfläche pro Flächeneinheit wirkt

Druck skalare Größe

SI-Einheit: Pascal, Bar = 10^5 Pascal

Druckwaage

Unmittelbare Messung von Druck

• p = F/A

• Kraft durch Auflegen von Gewichten

• Einstellen von Gleichgeqicht

Anwendung: Primärnormal

• Hochgenau

• Einzelne Messpunkte

An Druck kalibrierte Messung von Kraft

• Spiralfelder übt Gegenkraft auf Federbalg aus

• Federbalg mit Messmedium verbunden, Druck wirkt als Kraft

• Federbalg und Spiralfelder im Kräftegleichgewicht

• Verformung der Feder auf Skala übertragen

Kapselfeder oder Messdose: Zwei an Randflächen gasdicht verbundene Plattenfedern

Membranen verformen sich aufgrund von Druck

• Kapsel über Anschluss mit Messmedium verbunden

• Relativdruckmessung

• Differenzdruckmessung durch geeigneten Aufbau

Federrohr oder Rohrfeder: gebogenes Rohr mit dichtem Ende

Rohrfeder streckt sich bei Überdruck

• Offenes Ende über Anschluss mit Messmedium verbunden

• Rohrfeder direkt mit Zeigersystem verbunden

• Meist verwendete Technik

Plattenfeder: gewellte Membran

Membran am Rand gelagert

Eine Seite unter definiertem Druck, andere Seite Kontakt mit Messmedium

Verformung mit Zeigersystem verbunden

U-förmiges Rohr mit Sperrflüssigkeit und offenen Enden

Druckdifferenz verschiebt Flüssigkeit

• Höhenunterschied ~ Druckunterschied

• Δ𝑝 = 𝑝1 − 𝑝2 = 𝜌 ⋅ 𝑔 ⋅ Δℎ

• Dichte muss bekannt sein

Ringwaage

Drehbar gelagerter Hohlring mit Trennung oben; teilweise gefüllt mit Sperrflüssigkeit und externem Gewicht

Verdrehung proportional zu Druckunterschied

• Ein Anschluss: Medium, Anderer Anschluss: Referenz

• Δ𝑝 = (𝐺⋅𝑙)/(𝑇⋅𝑟) ⋅ sin(𝛼)

Alterungsfreihe Methode

Überlastungssicher

Kein Memory Effekt

Messung von Druckkraft mithilfe von DMS

Verformung von Membran

• DMS auf Membran

• Messung der Dehnung

• Dehnung proportional zu Druckdifferenz

MEMS Dehnmessstreifen

• Elastische Membran mit vier integrierten Wiederständen -> Wheatstone-Brücke

MEMS Drucksensoren

• Sensorelement auf Chip

Im Prinzip piezoresistive DMS

Messung der Verformung einer Membran oder Biegebalken

Verschiedene Bauformen

• Dünnfilmtechnik

• Dickschichttechnik

• Halbleitertechnik

Umwandlung von Druck in Auslenkung

• Auslenkung proportional zu Druckkraft

• Membran verschiebt induktiven Wegaufnehmer (Tauchanker)

Messung der Auslenkung über induktiven Wegaufnehmer

• Sensor ist Wegaufnehmer

• Verschiedenste Realisierungen möglich

  • Gegenkraft mit Feder

  • Verformungskraft

Umwandlung von Druck in Auslenkung

• Auslenkung der Membran ist proportional zu Druckkraft

Messung der Auslenkung über kapazitiven Wegaufnehmer

• Sensor ist Wegaufnehmer

Umwandlung von Druck in Kraft

• Messung von Druck über Piezoelektrische Kraftaufnehmer

Umwandlung von Druck in Kraft

• Eingespannte Saite wird Resonanzfrequenz angeregt

• Resonanzfrequenz ändert sich mit Saitenspannung

Realisierung mit Oszillator

• Anregung von Saitenschwingung

• Frequenz variabel → Resonanz

• Saite an Druckmessstelle eingespannt

• Nachführen der Resonanzfrequenz

Schwingquarz

• Quarz ist piezoelektrisches Material

• Schwingquarz zur resonanten Schwingung angeregt

• Resonanzfrequenz von Umgebungsdruck abhängig

Akustische Oberflächenwellen

• Ausbreitung akustischer Schwingungen entlang einer Oberfläche

SAW Drucksensor

• Anregung von Membran zu resonanter Schwingung

• Resonanzfrequenz von Druckdifferenz abhängig

• Nachführen der Resonanzfrequenz

“Luftleerer” Raum

Unterdruck

Vakkum in Natur nur im interstellarem Raum

Kugelreibungsvakuummeter

• Kugel magnetisch gelagert

• Anregung einer definierten Drehung über Wechselfeld

• Abschalten von Antrieb

• Abnahme von Drehgeschwindigkeit proportional zu Gasdruck

• Kalibriermethode

Ionisierung von Restgas

Messung von Ionenstrom

Unterschiedliche Ionisationsarten

• Kaltkathode (z.B. Penning-Vakuummeter)

• Glühkathode (z.B. Bayard-Alpert-Vakuummeter)

Geeignet für ~ 0,1 Pa bis ~ 0,1 nPa (Hoch/Ultrahochvakuum)

Heizdraht in Wheatstone-Brüke

Konstant halten von 𝑅𝑠𝑒𝑛𝑠𝑒

Wärmeübergang ist Druckabhängig

Geeignet bis ~ 0,1 Pa (~ Feinvakuum)