Elektromechanische Druckmessumformer: Funktionsweise & Typen

Elektromechanische Druckmessumformer

Elektromechanische Druckmessumformer nutzen elastische mechanische Elemente in Kombination mit einem Wandler, der elektrische Signale erzeugt. Der Druck erzeugt eine Kraft auf eine Fläche, die eine mechanische Verformung verursacht. Diese wird anschließend in eine elektrische Größe umgewandelt. Die gängigsten Messprinzipien basieren auf elektrischem Widerstand oder elektrischer Kapazität.

a) Elektronische Druckmessumformer

Zur Messung übt ein mechanisches Element eine Kraft auf einen starren Sender aus. Für jeden Druckwert nimmt der Stab eine spezifische Position ein, die einen Wegaufnehmer aktiviert. Eine Oszillatorschaltung speist eine Einheit, die eine magnetische Kraft erzeugt, welche den Stab in ein Kräftegleichgewicht verschiebt. Durch diese Rückkopplung schwankt der Ausgangsstrom proportional zum Druckbereich des Prozesses.

b) Magnetische Geber

b1) Wandler mit variabler Induktivität

Die Bewegung eines Kolbens in einer Spule erhöht die Induktivität proportional zum metallischen Kernanteil innerhalb der Wicklung. Die Spule wird mit Wechselstrom gespeist. Die erzeugte Gegen-EMK reduziert den Stromfluss in der Schaltung, wenn die Induktivität durch die Kolbenbewegung zunimmt.

b2) Wandler mit variabler Reluktanz

Dieses Prinzip basiert auf einem Elektromagneten, der ein Magnetfeld erzeugt, in dem sich ein Anker aus magnetischem Material bewegt. Eine Änderung der Ankerposition variiert die Reluktanz und den magnetischen Fluss. Dies induziert einen Strom in der Spule, der proportional zur Verschiebung des Ankers ist. Diese Sensoren weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen auf.

c) Resistive Wandler

Diese bestehen aus einem elastischen Element (z. B. Rohrfeder oder Kapsel), das den ohmschen Widerstand eines Potentiometers in Abhängigkeit vom Druck variiert. Das Potentiometer kann linear oder gewickelt ausgeführt sein. Die Bewegung des Druckelements wird auf einen beweglichen Arm übertragen, der meist in eine Wheatstone-Brückenschaltung integriert ist.

d) Piezoelektrische Wandler

Piezoelektrische Elemente bestehen aus kristallinen Materialien, die sich unter Druckeinwirkung verformen und dabei ein elektrisches Signal erzeugen. Sie zeichnen sich durch geringes Gewicht, kompakte Größe und eine robuste Bauweise aus.

e) Kapazitive Wandler

Diese basieren auf der Kapazitätsänderung eines Kondensators durch Druckeinwirkung. Eine bewegliche Membran verschiebt sich zwischen zwei festen Platten. Dadurch entstehen zwei Kondensatoren: einer mit fester Referenzkapazität und einer mit variabler Kapazität. Diese werden in Schwingkreisen oder Wheatstone-Brücken mit Wechselstrom ausgewertet.

f) Dehnungsmessstreifen (DMS)

DMS basieren auf der Widerstandsänderung eines Leiters bei Längen- und Durchmesseränderung unter mechanischer Belastung. Man unterscheidet zwei Typen:

• Geklebte Messstreifen: Sehr dünner Draht in Schleifenform, auf einer keramischen Trägerfolie befestigt.
• Ungeklebte Messstreifen: Widerstandsfäden liegen unter leichter Vorspannung zwischen einem festen und einem beweglichen Rahmen.