Piezoresistive Silizium-Drucksensoren gehören in der industriellen Automatisierung, Hydraulik, Prozesstechnik und Pneumatik zum Standard. Ihre Beliebtheit verdanken sie hoher Empfindlichkeit, hervorragender Linearität und schnellen Ansprechzeiten.
Die physikalischen Eigenschaften von Silizium machen den Sensor jedoch extrem temperaturabhängig. Schon geringe Schwankungen der Umgebungs- oder Mediumstemperatur führen ohne Korrektur zu erheblichen Abweichungen beim Nullpunkt und der Messspanne.
Das Verständnis der physikalischen Ursachen der thermischen Drift sowie des Unterschieds zwischen analoger Widerstandstrimmung und digitaler Signalaufbereitung (ASIC) hilft Ingenieuren, die passenden Druckmessumformer für thermisch anspruchsvolle Umgebungen auszuwählen.
Physikalische Ursachen der thermischen Drift im Messbrückendesign
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| Piezoresistives Silizium-Messelement |
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[ Wheatstonesche Messbrücke ]
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(Thermische Nullpunktdrift) (Thermische Spannedrift)
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- WAK-Fehlanpassung (Silizium/Glas) - Temperaturkoeffizient des
- Gehäuse-Spannungen Widerstands (TKW) steigt
- Resistor-Asymmetrien - Piezoresistiver Koeffizient
| sinkt bei Hitze
v v
Offset-Fehler bei Druck 0 Skalierungsfehler unter Druck
Die Wheatstonesche Messbrücke
Das piezoresistive Sensorelement besteht aus vier einkristallinen Siliziumwiderständen, die in eine Membran diffundiert und als Wheatstonesche Brücke verschaltet sind. Verformt der Prozessdruck die Membran, ändert sich der elektrische Widerstand. Es entsteht ein zum Druck proportionales Millivoltsignal.
Temperaturschwankungen beeinträchtigen das Brückensignal auf zwei Arten:
Thermische Nullpunktdrift (Zero Shift):
Auswirkung: Das Ausgangssignal weicht bei Drucklosigkeit (Umgebungsdruck) vom echten Nullpunkt ab.
Ursache: Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen Silizium-Chip, Glas-Substrat und Metallgehäuse sowie minimale Fertigungsasymmetrien der Widerstände.
Thermische Empfindlichkeitsdrift (Span Shift):
Auswirkung: Die Verstärkung der Messbrücke verändert sich über die Temperatur. Ein bei 25°C kalibrierter Sensor misst bei 80°C zu niedrige und bei -20°C zu hohe Druckwerte.
Ursache: Der piezoresistive Koeffizient von dotiertem Silizium nimmt bei steigender Temperatur ab, was die Signalempfindlichkeit verringert.
Gefahren unkompensierter Temperaturfehler im Betrieb
Der Einsatz unzureichend kompensierter Silizium-Drucksensoren unter schwankenden Temperaturbedingungen birgt erhebliche Risiken für Anlagensicherheit und Wirtschaftlichkeit:
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| Kaskadierende Drift-Risiken |
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[ Unkompensierte Temperaturdrift ] ---> [ Verfälschtes Signal an SPS / PLS ]
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v
+---------------------------+---------------------------+
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(Fehlauslösungen & Alarme) (Unbemerkte Druckspitzen)
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- Unnötige Abschaltungen - Materialermüdung & Rohrbrüche
- Teure Ausfallzeiten - Überlastung von Pumpen & Ventilen
Fehlalarme und unbegründete Prozessstopps: Sonneneinstrahlung auf Freilandleitungen oder Motorwärme können unkompensierte Sensorsignale um mehrere Prozent verschieben. Die Folge sind Fehlauslösungen an der SPS/PLS und teure Anlagenstillstände.
Unbemerkter Überdruck im System: Misst der Sensor bei hohen Betriebstemperaturen durch die Spannedrift einen zu niedrigen Wert, reagieren Sicherheitsventile nicht rechtzeitig. Das steigert das Risiko von Rohrleitungsschäden, Leckagen und Pumpenausfällen.
Erhöhter Service- und Gewährleistungsaufwand: Systemintegratoren tauschen intakte Sensoren häufig vorschnell aus, weil scheinbare Messfehler in Wirklichkeit auf unkompensierte Temperaturdrift zurückzuführen sind.
Technische Methoden: Analoge Hardware vs. Digitale ASIC-Kompensation
Um thermische Fehler zu korrigieren, integrieren Sensorhersteller Kompensationsschaltungen. Diese passen die Speisespannung dynamisch an oder berechnen das Brückensignal mathematisch.
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| Verlauf der Korrekturkurven |
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[ Analoge Widerstandstrimmung ] [ Digitales ASIC-Modell ]
Messfehler Messfehler
^ ^
| Nur lineare Korrektur | Polynomische Mehrpunkt-
| / (Verbleibender | /-------------\ Korrektur (Minimaler
| / quadratischer Fehler) | / \ Restfehler)
+------------------------> Temp +------------------------> Temp
| Technischer Parameter | Analoge Widerstandstrimmung | Digitale Signalaufbereitung (ASIC / DSP) |
| Kompensationsprinzip | Lasergetrimmte Widerstände in Serie/Parallel | Mikroprozessor / ASIC mit EEPROM-Korrekturtabellen |
| Korrekturpotenzial | Nur lineare Fehler (1. Ordnung) | Nicht-lineare Kurven (1., 2. und 3. Ordnung) |
| Gesamtfehlerband (TEB) | Standard (~1,5% bis 2,5% FS über Temperatur) | Hochpräzise (~0,2% bis 0,5% FS über Temperatur) |
| Kompensierter Bereich | Eng begrenzt (-10°C bis +60°C) | Erweitert (-40°C bis +125°C) |
| Thermische Ansprechzeit | Ohne Verzögerung (Analoghardware) | Sehr schnell (< 1 ms Berechnungszeit) |
| Thermische Hysterese | Nicht korrigierbar | Ausgleichbar über digitalen Temperatursensor |
1. Analoge Kompensation (Laser-Widerstandstrimmung)
Funktionsweise: Temperaturstabile Widerstandsnetzwerke werden per Laser kalibriert und in die Messbrücke eingebunden.
Einschränkung: Analoge Schaltungen korrigieren nur lineare Temperaturfehler. Da das thermische Verhalten von Silizium einer quadratischen Funktion folgt, verbleiben an den Grenzen des Temperaturbereichs merkliche Restfehler.
2. Digitale ASIC-Kompensation (Signal Conditioning)
Funktionsweise: Ein integrierter Baustein (ASIC) erfasst den Druckwert und die Temperatur am Sensor-Chip. Das ASIC verrechnet beide Werte in Echtzeit über im EEPROM hinterlegte Polynom-Algorithmen.
Vorteile: Diese Methode eliminiert auch nicht-lineare Fehler sowie Hysterese-Effekte nahezu vollständig. Sie ermöglicht ein extrem enges Gesamtfehlerband (Total Error Band) über einen breiten Temperaturbereich von -40°C bis +125°C.
Gesamtfehlerband (TEB) vs. Statische Genauigkeit
Bei der Auswahl von Drucksensoren sollten Ingenieure das Gesamtfehlerband (Total Error Band / TEB) heranziehen, anstatt sich nur auf die statische Raumtemperatur-Genauigkeit zu verlassen:
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| Genauigkeit vs. TEB |
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
[ Statische Genauigkeit bei 25°C ] = Nichtlinearität + Hysterese + Wiederholbarkeit (~0,25% FS)
[ Gesamtfehlerband (TEB) ] = Statische Genauigkeit + Nullpunktdrift + Spannedrift
(Gültig für den gesamten Kompensationsbereich)
Statische Genauigkeit (Raumtemperatur): WIRD bei konstanten 25°C ermittelt. Sie beinhaltet lediglich Nichtlinearität, Hysterese und Wiederholbarkeit. Für Außenbereiche oder heiße Prozessumgebungen ist dieser Wert allein wenig aussagekräftig.
Gesamtfehlerband (TEB): Spiegelt die maximale Abweichung über den gesamten kompensierten Temperaturbereich wider. Ein digital kompensierter Sensor mit einem TEB von +/- 0,5% FS garantiert, dass der Messfehler sowohl bei -20°C als auch bei +85°C innerhalb dieser Toleranz bleibt.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Kann die Temperaturkompensation eines Drucksensors nachträglich vor Ort durchgeführt werden?
A: Nein. Eine präzise Temperaturkompensation erfordert automatisierte Klimakammern, hochgenaue Druckstandards und Spezialausrüstung beim Hersteller, um die Korrekturparameter dauerhaft im ASIC-EEPROM des Sensors zu speichern.
F: Was unterscheidet den Betriebstemperaturbereich vom kompensierten Temperaturbereich?
A: Der Betriebstemperaturbereich (z. B. -40°C bis +150°C) gibt an, welche Temperaturen der Sensor ohne mechanische Schäden übersteht. Der kompensierte Temperaturbereich (z. B. -20°C bis +85°C) definiert das Fenster, in dem die spezifizierten TEB-Genauigkeitswerte eingehalten werden.
F: Warum sind digital kompensierte Drucksensoren kostenintensiver als analog getrimmte Modelle?
A: Digitale Sensoren erfordern komplexere ASIC-Elektronik sowie individuelle Kalibrierläufe in Klimakammern während der Fertigung. Diese Mehrkosten amortisieren sich im Betrieb jedoch schnell durch die Vermeidung von Fehlalarmen, Stillstandzeiten und Serviceeinsätzen.
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